近日，中國科學技術大學生命科學與醫學部許超教授、張凱銘教授與以色列巴伊蘭大學Itay Koren教授合作，通過解析CRL2^FEM1B E3泛素連接酶與不同Pro/C-degron多肽復合物的冷凍電鏡結構，揭示了CRL2^FEM1B E3泛素連接酶的二聚化組裝機制、CRL2^FEM1B激活機制，以及FEM1B識別底物羧基末端降解信號Ψ-Pro/C-degron的分子機制。相關成果以在“Mechanism of Ψ-Pro/C-degron recognition by the CRL2^FEM1B ubiquitin ligase”為題于2024年4月26日在線發表于《Nature Communications》。

泛素-蛋白酶體系統(UPS)是真核細胞中主要的蛋白質降解途徑。首先，泛素(Ub)分子由泛素激活酶(E1)、泛素偶聯酶(E2)和泛素連接酶(E3)的級聯反應被轉移至底物特定氨基酸（一般為賴氨酸），K48聚泛素化底物被引導進入蛋白酶體降解。E3通過識別底物特定降解信號（degron）介導Ub從E2~Ub到底物的轉移。Cullin-RING E3（CRLs）作為最大的泛素連接酶家族，由多亞基構成。CRL E3s通過不同的底物識別亞基SR識別不同C-degron以調控底物的降解。此外，CRLs 的E3活性受到NEDD8類泛素化修飾調控。許超教授課題組與國際同行的研究發現，CRL2 的SR亞基FEM1B除了可以識別Arg/C-degron、鋅指等degron外，還可以識別一類分別識別以脯氨酸（Pro）結尾的新底物，這類新底物大多以Pro結尾，且上游包含一個芳香族氨基酸Ψ，因而將該類底物降解信號統一命名為Ψ-Pro/C-degron。然而，CRL2^FEM1B復合物的裝配模式以及其識別Pro/C-degron的分子機制仍然未知。

圖1：（A） CRL2^FEM1B二聚化組裝受到CRL2 NEDD8翻譯后修飾調控; （B）FEM1B識別CCDC89 Ψ-Pro/C-degron的機制；（B）FEM1B識別CUX1 Ψ-Pro/C-degron的機制；（D）GPS實驗揭示FEM1B突變降低CRL2^FEM1B E3對融合有C-degron的GFP的泛素化降解

課題組在體外重構了含五個亞基的CRL2^FEM1B復合物，并解析了CRL2^FEM1B分別與不同Pro/C-degron的多個復合物電鏡結構。對CRL2^FEM1B復合物組裝界面分析發現，CRL2^FEM1B采用了兩種截然不同的二聚體組裝模式，一種為非對稱二聚體，一種為對稱二聚體。CRL2^FEM1B在類泛素化（neddylation）修飾后保留了對稱性二聚化模式，并由NEDD8介導形成了一種新的二聚化裝配模式。即NEDD8修飾通過引入空間位阻破壞了原有的非對稱二聚體組裝，并介導了一種新的對稱二聚體形成（圖1A）。此外對FEM1B與CCDC89相互作用界面的分析表明，全長FEM1B蛋白質通過雙位點模式同時識別底物Ψ-Pro/C-degron中羧基末端Pro與上游芳香族氨基酸Ψ，該結合模式還適用于FEM1B對于PDMB5、CUX1等一系列新底物的識別（圖1B-C）。

基于結構分析設計引入點突變，與體外泛素化活性實驗、體內雙熒光表征的全局蛋白質穩定性（Global protein stability, GPS）實驗相結合，表明破壞CRL2^FEM1B二聚化裝配或FEM1B與底物Ψ-Pro/C-degron相互作用，均降低CRL2^FEM1B對底物的泛素化降解能力，使得底物更加穩定（圖1D）。這項研究不僅揭示CRL2^FEM1B調控底物蛋白質降解的新機制，還更新了對于CRL E3s中底物識別受體功能的認識，即底物識別受體不僅僅負責底物識別，還編碼了E3復合物組裝的結構信息。此外，該研究所揭示FEM1B識別芳香族氨基酸的口袋，為靶向CRL2^FEM1B設計蛋白質水解靶向嵌合體(PROTACs)和分子膠提供了分子基礎。

中國科學技術大學校生命科學與醫學部許超教授、張凱銘教授與以色列巴伊蘭大學的Itay Koren教授為該論文的共同通訊作者。許超教授課題組的博士后陳新顏與Itay Koren教授課題組的Anat Raiff為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數據收集工作在中國科學技術大學冷凍電鏡中心完成。研究過程中得到了中國科學技術大學校生命科學與醫學部姚雪彪教授，張家海工程師以及哈佛大學Stephen J. Elledge教授等的大力支持。該研究工作得到細胞動力學教育部重點實驗室、自然科學基金委、科技部的資助。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47890-5

生命科學與醫學部


（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-4）