對于自然界的萬千生命，蛋白質的合成構成了一切生命活動的基礎。另一方面，蛋白質在完成使命后如何被機體降解，同樣是一個至關重要的問題。2004年，以色列的Aaron Cichanover教授、Avram Hershko教授以及美國的Irwin Rose教授因為揭示了泛素調節(jié)蛋白質降解的機制，共同被授予諾貝爾化學獎。

所謂泛素化，指的是這樣一個蛋白質修飾過程：在一系列酶的參與下，泛素分子選出特定的靶蛋白，給它們“貼上標簽”。隨后，這些被修飾的蛋白質會被送入蛋白酶體，在這臺“蛋白質粉碎機”中被切割成碎片，實現(xiàn)蛋白質的降解。

現(xiàn)在人們已經發(fā)現(xiàn)，這種廣泛存在于真核生物中的修飾過程，調控了幾乎所有細胞過程，包括細胞分裂、DNA修復、免疫應答等。但對于相關酶在這個過程中的具體作用機制，人們的認識依然較為有限。

本周，在一項發(fā)表于《自然》的最新研究中，美國芝加哥大學趙明磊教授團隊和清華大學劉磊教授團隊合作，使用蛋白質化學合成技術和冷凍電鏡技術深入探究了泛素化過程中的具體機制。

在參與泛素化修飾的酶中，泛素連接酶（E3酶）對于泛素化的形成至關重要。其中一種單鏈E3酶名為Ubr1，其介導的N端降解通路（N-degron pathway）是史上首個被發(fā)現(xiàn)的泛素降解過程。

N端降解通路決定了人體大多數(shù)蛋白質的降解速率，而這個通路中的錯誤會導致錯誤折疊或受損的蛋白質的積累，進一步導致衰老過程、神經退行性疾病、一些罕見的常染色體隱性遺傳病。而Ubr1可以識別含有N端降解子的蛋白質，對其進行一種被稱作K48鏈型的泛素化修飾，最終降解這些蛋白質。

然而，盡管Ubr1已經被發(fā)現(xiàn)了30多年，它如何啟動泛素化、K48鏈型泛素鏈如何延伸依然是個未知數(shù)。一個重要原因在于，級聯(lián)反應中的中間步驟是一個瞬時、動態(tài)的過程，因此難以捕捉到反應過程中的中間體。

在這項研究中，研究團隊首先利用蛋白質化學合成技術模擬了Ubr1催化反應中的中間體。利用這些模擬的中間體，研究團隊通過冷凍電鏡捕獲了Ubr1在介導啟動泛素化，以及K48泛素鏈延伸時的構象。這些工作生成了單個分子與亞細胞結構的圖像，解析了關鍵中間步驟的高分辨冷凍電鏡結構。

▲Ubr1開啟泛素化反應的示意圖（圖片來源：Pan, et al, University of Chicago）

基于這些研究，研究團隊還明確了Ubr1催化泛素化反應的一系列關鍵結構元件，從而幫助我們進一步理解由E3酶介導的蛋白質多聚泛素化的反應機制。

論文共同通訊作者趙明磊教授表示：“在這項研究之前，對于泛素聚合物是如何形成的，我們的認識很有限?，F(xiàn)在我們終于開始認識到，泛素是如何與蛋白質底物結合，以及聚合物是如何形成的。對于在近原子層面理解泛素化過程，這項研究是一個里程碑式的突破?！?

芝加哥大學趙明磊教授、清華大學劉磊教授和芝加哥大學于圓圓博士（現(xiàn)為上海大學醫(yī)學院教授）為本文的共同通訊作者。芝加哥大學潘漫博士（現(xiàn)為上海交通大學轉化醫(yī)學研究院副教授）為本文的第一作者和共同通訊作者，清華大學化學系鄭清蕓博士、清華大學生命學院博士生王天和清華大學化學系梁陸軍博士為本文的共同第一作者。

參考資料：

[1] Pan, M., Zheng, Q., Wang, T. et al. Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04097-8

[2] Advanced microscopes help scientists understand how cells break down proteins. Retrieved Nov 17th, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/934980