蛋白质设施用户在泛素连接酶识别羧基端降解决定子的机制方面取得进展
时间 : 2021-01-14     

2021年1月4日, 国家蛋白质科学研究(上海)设施用户中国科学技术大学生命科学与医学部许超实验室与以色列-巴伊兰大学Itay Koren课题组合作在Nature Chemical Biology(《自然-化学生物学》)期刊在线发表了题为“Molecular basis for arginine C-terminal degron recognition by Cul2 FEM1 E3 ligase”的研究论文,揭示了Cul2FEM1 E3泛素连接酶复合物识别羧基端精氨酸降解决定子(Arg/C-degron)的分子机制。  

高等真核生物细胞通过降解清除不需要或错误折叠的蛋白质以维持胞内蛋白质分子的正常水平及功能,该降解过程主要通过依赖于泛素的蛋白酶体系统(UPS)。在UPS通路中,泛素活化酶 E1、泛素结合酶 E2 和泛素连接酶 E3 协同催化泛素级联反应,泛素修饰底物并促进其降解。E3连接酶复合物与底物相互作用决定了UPS的特异性。研究表明,E3连接酶复合物中的受体蛋白质通过识别蛋白质氨基端或羧基端特定氨基酸序列调控底物泛素化降解通路,底物末端特征序列分别称做N-degron和C-degron。  
 

 
图1  FEM1C、FEM1B选择性识别不同的Arg/C-degron  

研究人员针对Cul2 E3连接酶复合物中的受体蛋白质FEM1家族成员FEM1A、FEM1B、FEM1C开展研究。首先通过结合实验发现FEM1蛋白质均通过氨基端含锚蛋白重复(ankyrin repeats)的区域识别含羧基精氨酸的C-degron (Arg/C-degron),但FEM1A/C与FEM1B体现出了不同的序列偏好性。我们首先解析了FEM1C分别与SIL1、NS11、OR51B2、Clone13的Arg/C-degron的4个复合物晶体结构,通过结构分析发现FEM1C通过双位点模式特异识别含-K/R-X1-2-R的Arg/C-degron;进而解析了FEM1B和CDK5R1 C-degron的复合物晶体结构,并与FEM1C复合物比较,揭示了FEM1B识别CDK5R1 C-degron的-G-L-X-R序列的分子机制。该工作通过解析9个FEM1B或FEM1C与C-degron的复合物晶体结构,揭示了FEM1A/C与FEM1B底物不同选择性,还通过突变关键氨基酸将FEM1C向FEM1B改造,使突变后FEM1C偏好性从SIL1(K-X-X-R)转向CDK5R1(G-L-X-R)。研究人员最后还在哺乳动物细胞中构建基于双荧光的蛋白质稳定性全局报告质粒系统(Global Protein Stability, GPS)。在GFP荧光蛋白质末端融合C-degron,发现任何削弱或者破坏C-degron和FEM1蛋白质相互作用的突变都会导致GFP更加稳定,通过体内实验验证了Cul2FEM1 通过识别蛋白质Arg/C-degron有效调控蛋白质泛素化降解过程。

  
  
图2  Cul2FEM1 E3复合物通过受体蛋白质FEM1识别Arg/C-degron调控底物稳定性的模型。  

国家蛋白质科学研究(上海)设施BL18U1线站、BL19U1线站及BL18U1线站顾亦君老师在疫情期间对课题的数据收集给予了大力支持和帮助。  

(蛋白质设施上海提供)