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解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活

发布时间: 2019-09-10
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长期以来,一致认为泛素化修饰可以调节蛋白质的稳定性,但与降解无关的泛素化信号对细胞和组织生理学也是至关重要的。各种各样的信号功能也取决于泛素化的类型和底物环境。除了单、多和多聚泛素化的区别,泛素链密度尤其是链拓扑形式在信号传导中也起着重要作用。



泛素分子的7个赖氨酸残基和N末端甲硫氨酸均可继续被泛素分子修饰,形成8种拓扑形式的同质泛素链。当底物蛋白上同一赖氨酸位点同时存在两种不同的泛素链延伸时就会生成混合或者分支泛素链修饰,即异质泛素链。这些同质或异质泛素链拓扑结构各异;随着泛素链长度的延伸,其拓扑结构的复杂性呈现指数型增长。泛素链拓扑结构的复杂多样为生物学信号传递的载体提供了结构基础。因此,底物蛋白上不同泛素链种类和比例的改变可能介导了不同信号之间的转换,形成了严密调控的“泛素密码”。




在众多的泛素链种类中,K48泛素链是功能研究最清楚的一种经典泛素链,主要介导了底物蛋白的蛋白酶体降解过程。然而,随着研究的拓展与深入,K48泛素链还具有非蛋白降解的功能。典型的例子是K48链作为转录抑制因子而非降解因子,参与了酵母细胞甲硫氨酸合成通路的转录因子Met4的转录激活调控、甲硫氨酸代谢和细胞增殖等过程。在甲硫氨酸丰富的条件下,SCFMet30E3泛素连接酶介导Met4的K163位点发生K48泛素链修饰,K48泛素链与Met4自身N端的泛素亲和结构域(UBD)相结合,从而使Met4处于活性抑制状态,甲硫氨酸合成通路相关代谢酶合成基因转录受阻。然而,当细胞处于甲硫氨酸匮乏的环境中,Met4如何由失活状态转变为活化状态的分子机制仍处于空白状态。




2019年8月20日,来自军事医学研究院生命组学研究所和国家蛋白质科学中心的徐平研究员、贺福初院士和来自美国加利福尼亚大学尔湾分校的Peter Kasier教授团队合作在Molecular Cell上发表文章Proteomics Links Ubiquitin Chain Topology Change to Transcription Factor Activation。该研究发现K11泛素链参与了甲硫氨酸转录因子Met4的转录激活调控。




解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活




1、高覆盖率蛋白质组学助力通路相关功能性研究




作者首先构建了酵母泛素K11位点突变为R的突变型菌株(K11R)通过SILAC代谢标记的高覆盖定量蛋白质组学技术检测了野生型和突变菌株蛋白组表达差异(图1A)。细胞裂解液(TCL)样品用SDS-PAGE分离降低样品复杂性,Lys-C消化后进行LC-MS/MS分析(图1B)。最终鉴定到4580个蛋白(图1C)




解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活

图1. 基于SILAC的WT和K11R突变体酵母蛋白质组学分析




2、K11连接的泛素链明显影响甲硫氨酸代谢相关酶的转录和/或蛋白质水平




基因差异表达分析结果表明,K11突变确实影响一些基因蛋白质(红点)和转录丰度的变化(绿点)(图2A),在K11R突变体中,共鉴定到135种显著下调的蛋白质(左下象限;P<0.01)和112显著上调蛋白(右上象限)。Go分类表明,K11突变干扰了广泛的细胞过程(图2B),上调蛋白主要参与初级代谢产物的生物合成。下调蛋白主要与甲硫氨酸生物合成有关(图2C)。 




解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活
图2. K11-连接泛素链的潜在蛋白底物




3、MET4活化过程中连接的泛素链发生了从K48到K11的链拓扑学变化




作者进一步利用蛋白半衰期测定实验,排除了K11泛素链调控该通路相关酶蛋白稳定性的可能;结合转录组数据,他们发现这些酶对应编码基因转录水平明显下调。转录激活剂MET4是已知Met基因表达的调节因子,当甲硫氨酸水平高时,酵母通SCFmet30介导 MET4 K163上K48连接的泛素化以非降解方式抑制MET4的活性,这暗示K11泛素链参与调控甲硫氨酸合成通路相关酶转录激活,即介导Met4由K48泛素链修饰的失活状态到活化状态的转变。在甲硫氨酸限制条件下,MET4泛素链拓扑表现出明显的动态变化。K48泛素链逐渐减少(图3C),而K11泛素链增多。并且,SCFmet30和K163对于K11链形成是必需的(图3D)




解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活
图3. MET4泛素链拓扑结构激活期间从K48至K11转变




4、K48而不是K11连接的泛素链竞争MET4串联UBD机构域对基础转录装置的招募




通过生物膜干涉实验发现,K48而不是K11连接的泛素链结合到MET4串联UBD结构域。最后,研究者通过Met4 UBD结构域上K48泛素链和Med15(Mediator的一员)的竞争性洗脱实验,证实两者与Met4上的UBD结构域存在竞争性结合关系。

研究提出以下模型:在富含甲硫氨酸的生长条件下,MET4通过K48连接的泛素链抑制Met基因的表达,这个K48泛素链与MET4中UBD结构域结合,阻止转录Meidator招募到串联UBD或转录激活区域。当细胞受到甲硫氨酸限制时,导致MET4连接到K163的泛素链拓扑结构的改变。新的拓扑结构可以是一个同种的K11链(A),一个K48/K11支链(B)或异型K48/K11链(C)。K11链的延伸破坏了K48泛素链与UBD的结合,使以UBD来招募Meidator成为可能,Met4介导转录激活。




解密“泛素密码”,Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道泛素链拓扑结构转变介导转录因子的激活
图4. 泛素控制MET4对Meidator招募模型

综上所述,此研究揭示了K11泛素链一种全新的生理功能,即作为一种信号开关,通过介导修饰泛素链种类的转换,实现转录因子活性的转变,完成相关基因转录激活。该项研究深入探究了甲硫氨酸合成通路关键转录因子Met4由失活到激活的状态转变的分子机制,也为泛素链作为分子开关转换信号传递方向提供了新的例证,为复杂且精密的泛素密码的解析提供了理论依据。目前有关泛素化修饰在转录因子活性控制方面的调控机制研究仍非常有限,因此该项研究也为泛素化修饰对转录因子活性状态的调控机制探究提供了理论依据。




参考文献
Yanchang Li., et al., 2019, Proteomics Links Ubiquitin Chain Topology Change to Transcription Factor Activation. Molecular Cell.

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