Mol Cell | 徐平/贺福初合作团队报道不同泛素链类型的转换介导转录因子的激活

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泛素化修饰是真核细胞内普遍存在的一种翻译后修饰，参与了包括蛋白质特异性降解、信号转导和蛋白定位等几乎所有的生理活动，对内环境稳态的维持具有重要的调控作用。研究显示，泛素化及其信号途径的任何突变或紊乱都可能诱发如癌症、神经退行性疾病等多种严重疾病。因此，深入研究泛素化信号的调控机制，对于认识生命活动、理解致病分子机制并研发相应治疗方法具有重要意义。

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”【1】。

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【2,3】。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【4,5】。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。本研究通过高覆盖定量蛋白质组学技术实现了对酵母蛋白组的深度覆盖，以此技术为基础通过一组SILAC代谢标记比较了野生型和泛素K11位点突变为R的突变型菌株（K11R）的蛋白组表达差异，发现K11泛素链的缺失可引起甲硫氨酸合成通路所有合成酶蛋白水平的显著下调。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，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Met4由K48泛素链修饰的失活状态到活化状态的转变。

SILAC定量蛋白质组学数据显示K11泛素链的缺失并不影响转录因子Met4 本身的蛋白稳定性，说明K11泛素链并非通过介导蛋白酶体降解途径来调控Met4的蛋白含量；通过遗传学策略突变Met4的泛素化位点K163，或者敲除Met4 K48泛素链生成必需的E3 Met30，研究者发现在消除K48泛素链修饰的同时，也明显减少Met4 上K11泛素链的生成，该研究证明K11泛素链很可能是以Met4 K163位点的K48泛素链为底物进行延伸，形成K48/K11的混合或者分支泛素链修饰。通过生物膜干涉实验，证明了Met4上的UBD结构域能够特异性识别K48链，而对K11链几乎无识别能力。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。上述结果证明K11泛素链可以消除K48泛素链与Met4 N端UBD结构域的相互作用，从而利用暴露的UBD结构域招募转录必需的Mediator 复合物，激活转录。

此外，研究者前期的探究显示，UBD的存在保护了Met4上的K48链免于被蛋白酶体识别以及进一步降解Met4【6】；而在Met4转录激活过程中，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。

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。

转录因子是细胞内调控特定基因时空转录状态的一类重要分子，有关其活性的调控对于其对应通路的转录激活状态的转换至关重要。转录因子活性的改变成为多个疾病关键分子表达量控制的关键因子，参与了多种疾病发生发展过程。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【7】，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。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.07.001

参考文献

1. Komander, D.; Rape, M., The ubiquitin code. Annu. Rev. Biochem. 2012, 81, 203-229.

2. Su, N. Y.; Ouni, I.; Papagiannis, C. V.; Kaiser, P., A dominant suppressor mutation of the met30 cell cycle defect suggests regulation of the Saccharomyces cerevisiae Met4-Cbf1 transcription complex by Met32. J. Biol. Chem. 2008, 283 (17), 11615-11624.

3. Kaiser, P.; Flick, K.; Wittenberg, C.; Reed, S. I., Regulation of transcription by ubiquitination without proteolysis: Cdc34/SCFMet30-mediated inactivation of the transcription factor Met4. Cell 2000, 102 (3), 303-314.

4. Flick, K.; Ouni, I.; Wohlschlegel, J. A.; Capati, C.; McDonald, W. H.; Yates, J. R.; Kaiser, P., Proteolysis-independent regulation of the transcription factor Met4 by a single Lys 48-linked ubiquitin chain. Nat. Cell Biol. 2004, 6 (7), 634-641.

5. Kaiser, P.; Su, N. Y.; Yen, J. L.; Ouni, I.; Flick, K., The yeast ubiquitin ligase SCFMet30: connecting environmental and intracellular conditions to cell division. Cell Div 2006, 1, 16.

6. Flick, K.; Raasi, S.; Zhang, H.; Yen, J. L.; Kaiser, P., A ubiquitin-interacting motif protects polyubiquitinated Met4 from degradation by the 26S proteasome. Nat. Cell Biol. 2006, 8 (5), 509-515.

7. Muratani, M.; Tansey, W. P., How the ubiquitin-proteasome system controls transcription. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003, 4 (3), 192-201.

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