中国科大生命科学与医学部许超教授、张凯铭教授与以色列巴伊兰大学Itay Koren教授合作，揭示了CRL2APPBP2E3泛素连接酶识别底物羧基端降解信号（C-degron）的分子机制，相关成果以“Molecular basis for C-degron recognition by CRL2APPBP2ubiquitin ligase”为题于10月16日在线发表在《PNAS》杂志上。
泛素-蛋白酶体系统（UPS）是真核细胞中的主要蛋白质降解通路，介导泛素化依赖的蛋白质降解，通过消除不需要或折叠错误的蛋白质，在蛋白质质量控制中发挥关键作用。在典型的E1-E2-E3泛素化级联反应通路中，泛素连接酶E3通过结合E2~泛素（E2~Ub）和底物，催化泛素从E2转移到底物特定的赖氨酸上。因此，E3决定了UPS的特异性。在大多数情况下，它可以直接识别底物蛋白质中的特定基序，这种基序被称为降解子（degron）。蛋白质暴露的羧基末端降解信号（C-degron），可以被Cullin-RING E3泛素连接酶（CRLs）复合体中不同的底物受体所识别，包括KLHDC2, FEM1A/1C, FEM1B以及APPBP2等。之前的工作中，许超教授课题组通过解析FEM1B、FEM1C与Arg/C-degron小肽的复合物晶体结构，揭示了CRL2FEM1通过识别Arg/C-degron调控蛋白质稳态的分子机制。而APPBP2作为CRL2的另一种底物受体，已被证明能识别底物羧基末端Arg-x-x-Gly基序（R-x-x-G/C-degron）并介导底物的降解，然而，其中的分子机制仍然是未知的。
研究人员体外纯化组装了CRL2APPBP2与三种不同R-x-x-G/C-degron小肽结合的复合物（图1），包括XP_211896（L-T-R-N-K-G-P）、XP_211896的变体（L-T-R-N-K-G-P-A-A）和MRPL28（Q-K-R-A-S-G-Q），通过冷冻电镜分别解析其原子分辨率结构。
图1：CRL2APPBP2二聚体与R-x-x-G-P/C-degron复合物的冷冻电镜结构
结构分析表明，所有C-degron小肽结合在由APPBP2的TPR repeats 6-11所组成的一个深的口袋中，C-degron序列中的Gly和Arg分别被APPBP2口袋中的窄沟槽以及带负电的表面所识别（图2）。另外，APPBP2残基与XP_211896 C-degron的Arg-5、Asn-4和Lys-3的主链氢键网络赋予了-5RNKG-2基序刚性，从而阐明了C-degronArg和Gly之间需要间隔两个残基（R-x-x-G）的机理。此外，生物化学实验进一步表明R-x-x-G在C-degron序列中的位置具有一定可塑性，R-x-x-G羧基端加入1-3个残基不影响与APPBP2结合。
图2：APPBP2识别R-x-x-G/C-degron的分子机制
研究人员利用突变、等温滴定量热（ITC）实验验证APPBP2与R-x-x-G/C-degron作用界面，并进一步通过细胞内基于双荧光的蛋白质稳定性报告系统（GPS）揭示R-x-x-G/C-degron通过招募CRL2APPBP2介导绿色荧光蛋白质降解。以上研究不仅解析了CRL2APPBP2识别R-x-x-G/C-degron的分子机制，而且为未来设计靶向CRL2APPBP2的小分子抑制剂和PROTAC分子提供了基础。
我校生命科学与医学部许超教授、张凯铭教授与以色列巴伊兰大学的Itay Koren教授为该论文的共同通讯作者。许超教授课题组的博士研究生赵是栋与Itay Koren课题组的Diana Olmayev Yaakobov为该论文的共同第一作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成。该研究实施过程中得到了姚雪彪教授，张家海工程师等的大力支持。该研究得到了细胞动力学教育部重点实验室、微尺度国家研究中心等单位和自然科学基金委、科技部和中国科学院合肥大科学中心协同创新培育基金等项目的支持。
文章链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308870120