蛋白質(zhì)的泛素化修飾在真核細(xì)胞的生命進(jìn)程中扮演核心角色。Cullin-RING E3泛素連接酶（CRLs）作為泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）中的關(guān)鍵組成部分，是哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)最大的E3酶家族，負(fù)責(zé)特異性識(shí)別、泛素化并降解底物蛋白，從而精密調(diào)控多種生理過(guò)程。CRL3作為其中一類重要亞型，特異性地利用BTB結(jié)構(gòu)域蛋白作為底物適配子。人類基因組編碼超過(guò)180種BTB蛋白，CRL3復(fù)合物廣泛參與糖脂代謝、癌癥發(fā)生、細(xì)胞周期及發(fā)育等重要生物學(xué)事件。然而，由于CRL3結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其分子架構(gòu)與催化機(jī)制仍存在大量未知。

2024年2月8日，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院孫蕾研究員、陳振國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心Bruce Beutler院士合作，在《Nature Structural & Molecular Biology》上發(fā)表了題為“Dynamic molecular architecture and substrate recruitment of cullin3–RING E3 ligase CRL3KBTBD2"的研究論文。該研究以CRL3KBTBD2對(duì)p85α的特異性招募為模型，系統(tǒng)解析了該E3連接酶在催化循環(huán)中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化與功能機(jī)制。

1. CRL3 KBTBD2如何調(diào)控胰島素信號(hào)通路？

p85α是PI3Kα復(fù)合物的調(diào)節(jié)亞基，與催化亞基p110α共同調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)。KBTBD2作為新發(fā)現(xiàn)的p85α調(diào)控蛋白，在小鼠模型中其缺失會(huì)導(dǎo)致p85α累積，引發(fā)胰島素信號(hào)紊亂，表現(xiàn)為發(fā)育遲緩、胰島素抵抗、Ⅱ型糖尿病等表型，甚至導(dǎo)致死亡。研究表明，KBTBD2與CUL3及RBX1組裝成CRL3 KBTBD3復(fù)合體，催化p85α的泛素化與降解，從而在代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2. CRL3 KBTBD2的催化循環(huán)涉及哪些動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)？

本研究成功解析了CRL3 KBTBD2在多個(gè)功能狀態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括自組裝、底物招募（與p85α結(jié)合）、活化（NEDD8修飾）、去活化（與CSN結(jié)合）及底物受體交換（與CAND1結(jié)合）等七種狀態(tài)，構(gòu)建了迄今為止最完整的CRL3催化循環(huán)模型。

值得注意的是，KBTBD2本身具有二聚化能力，使得CRL3 KBTBD2可形成四聚、六聚甚至八聚體的高級(jí)結(jié)構(gòu)，其酶活中心在未結(jié)合底物時(shí)處于遮蔽狀態(tài)。而在與p85α、NEDD8或CSN等因子結(jié)合后，復(fù)合體逐步解離為活性二聚體形式，暴露出底物結(jié)合及催化位點(diǎn)。

3.CRL3如何特異性識(shí)別并招募全長(zhǎng)底物蛋白？

闡明CRLs家族對(duì)底物的識(shí)別機(jī)制一直面臨巨大挑戰(zhàn)。該研究系統(tǒng)性揭示了CRL3 KBTBD2與全長(zhǎng)p85α蛋白的互作模式：KBTBD2通過(guò)其BTB-BACK與Kelch結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，與p85α形成多界面結(jié)合，為底物識(shí)別提供高親和力與特異性。該工作彌補(bǔ)了CRLs招募全長(zhǎng)底物的結(jié)構(gòu)機(jī)制空白，為理解E3連接酶的底物選擇性提供了新視角。

4.該研究對(duì)泛素化系統(tǒng)研究有何重要意義？

本研究提出CRL3KBTBD2在催化循環(huán)中的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化模型，系統(tǒng)闡釋了其通過(guò)結(jié)構(gòu)重組實(shí)現(xiàn)底物招募與泛素化的機(jī)制。這不僅深化了對(duì)CRL3功能的理解，也為針對(duì)CRLs的藥物開(kāi)發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

值得關(guān)注的是，同期《Nature Structural & Molecular Biology》推出了“泛素化"專題，發(fā)表了多篇相關(guān)研究及評(píng)論，反映出該領(lǐng)域在機(jī)制探索與臨床應(yīng)用方面的持續(xù)活躍與重要性。

結(jié)語(yǔ)

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞功能中發(fā)揮核心作用，其失調(diào)與多種重大疾病密切相關(guān)。目前，以該系統(tǒng)為靶點(diǎn)的藥物研發(fā)已在腫瘤治療中取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，包括蛋白酶體抑制劑、去泛素化酶抑制劑和泛素化酶調(diào)節(jié)劑等多類化合物。未來(lái)研究將繼續(xù)深化對(duì)該系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制的理解，推動(dòng)更具選擇性和高效性的治療策略的開(kāi)發(fā)。

產(chǎn)品信息

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