在細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)和降解是一個(gè)精密調(diào)控的過程。如果蛋白質(zhì)不能及時(shí)降解，可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病、癌癥等多種疾病發(fā)生。然而，蛋白質(zhì)是如何被細(xì)胞識(shí)別并標(biāo)記為需要降解的呢？快隨小 M 一起來看下~
泛素化修飾是我們相對(duì)熟悉的蛋白降解修飾，但據(jù)報(bào)道，體內(nèi)有超過 700 多種蛋白修飾，這些修飾在蛋白穩(wěn)態(tài)中的作用仍需進(jìn)一步探索。
近期，發(fā)表在 Nature 上的一項(xiàng)研究揭示了一種全新的蛋白質(zhì)降解機(jī)制：SCF-FBXO31 復(fù)合體識(shí)別 C 端酰胺 (CTAPs) 標(biāo)記蛋白質(zhì)，促使其通過蛋白酶體降解[1]。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了我們對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)調(diào)控的理解，還可能為未來的疾病治療提供新的思路。
01C 端酰胺為降解信號(hào)C-TERMINAL AMIDE AS A DEGRADATION SIGNAL
過去，科學(xué)家們認(rèn)為蛋白質(zhì)降解主要依賴于泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (UPS)，其中蛋白質(zhì)的降解標(biāo)簽通常是通過特定的翻譯后修飾 (如泛素化) 來完成的。然而，這項(xiàng)研究表明，蛋白質(zhì)的 C 端酰胺修飾本身就可以作為降解信號(hào)。這意味著，某些蛋白質(zhì)在合成或損傷后，只要其 C 端帶有酰胺，就會(huì)被細(xì)胞快速清除。
研究人員通過構(gòu)建半合成熒光蛋白報(bào)告系統(tǒng)，系統(tǒng)性地分析了不同修飾對(duì)蛋白質(zhì)降解的影響。他們發(fā)現(xiàn)，C 端酰胺化的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的降解速率明顯快于未修飾的蛋白。
圖 1. 具有 c 端酰胺的蛋白質(zhì)被泛素蛋白酶體系統(tǒng)選擇性地降解[1]。
a. 基于 sfGFP 的攜帶 c 端酰胺的半合成報(bào)告蛋白示意圖。b. 通過將報(bào)告蛋白電穿孔入人細(xì)胞系，熒光細(xì)胞內(nèi)報(bào)告蛋白試驗(yàn)來區(qū)分修飾的氨基酸降解（MAADs）和中性修飾。c. 蛋白末端攜帶 CONH2 和不攜帶 CONH2 在細(xì)胞內(nèi)對(duì) sfGFP 偶聯(lián)物的熒光報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果。d. 在 HEK293T 細(xì)胞中的熒光報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
02 FBXO31: 識(shí)別者 FBXO31: THE RECOGNIZER
為了找到識(shí)別 C 端酰胺修飾的關(guān)鍵因子，研究團(tuán)隊(duì)利用 CRISPR 篩選技術(shù)，最終鎖定了 FBXO31 蛋白。FBXO31 是 SCF 復(fù)合體 (SKP1-CUL1-F-box 蛋白) 的一個(gè)底物受體，它能夠特異性地識(shí)別 C 端酰胺并介導(dǎo)其泛素化。
進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析顯示，F(xiàn)BXO31 具有一個(gè)特異性結(jié)合 C 端酰胺的口袋。這個(gè)結(jié)合口袋通過氫鍵和疏水作用與 C 端酰胺結(jié)合，而未修飾的 C 端羧酸由于缺乏必要的氫鍵作用，無法與 FBXO31 結(jié)合。這一機(jī)制確保了 FBXO31 只靶向 C 端酰胺化蛋白，而不會(huì)誤識(shí)別正常蛋白。
圖 2. CRISP 篩選鑒定 SCF-FBXO31 作為 CTAP 清除因子[1]。
a. 全基因組 CRISPR 篩選示意圖，以確定 CTAP 清除所需的基因。b. CRISPR 篩選結(jié)果。c.在 FBXO31 敲除和對(duì)照細(xì)胞中 sfGFP 降解時(shí)間對(duì)比。d. 熒光偏振實(shí)驗(yàn)結(jié)果。e. 用 sfGFP-pep1 和 mCherry-pep2 進(jìn)行體外泛素化檢測(cè)。
03 FBXO31 的作用 THE ROLE OF FBXO31
研究還發(fā)現(xiàn)，C 端酰胺主要形成于蛋白質(zhì)氧化損傷之后。例如，在過氧化氫（H2O2）等氧化應(yīng)激條件下，某些蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生斷裂，其新形成的 C 端往往會(huì)帶有酰胺修飾。這些酰胺化蛋白隨后被 FBXO31 識(shí)別，并通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)進(jìn)行降解。
這一發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)BXO31 可能是細(xì)胞對(duì)抗氧化應(yīng)激的重要防御機(jī)制之一。通過清除受損蛋白，F(xiàn)BXO31 能夠幫助細(xì)胞維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，防止有害蛋白聚集。
圖 3. 氧化蛋白損傷引發(fā)體外 CTAP 的形成[1]。
a. 氧化損傷導(dǎo)致體外 CTAP 的形成。b. 基于質(zhì)譜/質(zhì)譜法測(cè)定血紅蛋白中 CTAP 的體外形成。c. 在公開的人類蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)中檢測(cè)到的 CTAP 與體外氧化損傷的比較。
04FBXO31 變異與疾病FBXO31 MUTATIONS AND DISEASES
有趣的是，該研究還揭示了一種與神經(jīng)疾病相關(guān)的 FBXO31 突變體——D334N 突變。攜帶此突變的 FBXO31 失去了對(duì) C 端酰胺的特異性，反而開始錯(cuò)誤地靶向其他蛋白。這種錯(cuò)誤識(shí)別會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵細(xì)胞蛋白的異常降解，從而影響細(xì)胞生存。
D334N 突變已被發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)發(fā)育障礙、腦癱等疾病相關(guān)。這表明，F(xiàn)BXO31 及其調(diào)控的 C 端酰胺降解通路可能在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。
圖 4. D334N 突變破壞 FBXO31 對(duì) CTAP 的識(shí)別[1]。
05 小結(jié) CONCLUSION
本研究首-次揭示了 C 端酰胺作為蛋白質(zhì)降解信號(hào)的作用，并發(fā)現(xiàn) FBXO31 是該信號(hào)的關(guān)鍵識(shí)別因子。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對(duì)蛋白質(zhì)降解機(jī)制的理解，還可能在未來的神經(jīng)疾病、癌癥和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)研究中發(fā)揮重要作用。
隨著對(duì) FBXO31 及其相關(guān)通路研究的深入，我們或許能夠開發(fā)出新型靶向降解藥物，為疾病治療帶來革命性的突破。未來，針對(duì) FBXO31 的精準(zhǔn)調(diào)控或?qū)⒊蔀榈鞍追€(wěn)態(tài)調(diào)控領(lǐng)域的重要研究方向。
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[1] Muhar MF, et al. C-terminal amides mark proteins for degradation via SCF-FBXO31. Nature. 2025 Feb;638(8050):519-527.
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