蛋白質的泛素化修飾在真核細胞的生命進程中扮演核心角色。Cullin-RING E3泛素連接酶（CRLs）作為泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）中的關鍵組成部分，是哺乳動物細胞內最大的E3酶家族，負責特異性識別、泛素化并降解底物蛋白，從而精密調控多種生理過程。CRL3作為其中一類重要亞型，特異性地利用BTB結構域蛋白作為底物適配子。人類基因組編碼超過180種BTB蛋白，CRL3復合物廣泛參與糖脂代謝、癌癥發(fā)生、細胞周期及發(fā)育等重要生物學事件。然而，由于CRL3結構復雜，其分子架構與催化機制仍存在大量未知。

2024年2月8日，復旦大學生物醫(yī)學研究院孫蕾研究員、陳振國研究員團隊與美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心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)中的動態(tài)結構變化與功能機制。

1. CRL3 KBTBD2如何調控胰島素信號通路？

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

2. CRL3 KBTBD2的催化循環(huán)涉及哪些動態(tài)結構狀態(tài)？

本研究成功解析了CRL3 KBTBD2在多個功能狀態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結構，包括自組裝、底物招募（與p85α結合）、活化（NEDD8修飾）、去活化（與CSN結合）及底物受體交換（與CAND1結合）等七種狀態(tài)，構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結構，其酶活中心在未結合底物時處于遮蔽狀態(tài)。而在與p85α、NEDD8或CSN等因子結合后，復合體逐步解離為活性二聚體形式，暴露出底物結合及催化位點。

3.CRL3如何特異性識別并招募全長底物蛋白？

闡明CRLs家族對底物的識別機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p85α蛋白的互作模式：KBTBD2通過其BTB-BACK與Kelch結構域協(xié)同作用，與p85α形成多界面結合，為底物識別提供高親和力與特異性。該工作彌補了CRLs招募全長底物的結構機制空白，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)中的動態(tài)構象變化模型，系統(tǒng)闡釋了其通過結構重組實現(xiàn)底物招募與泛素化的機制。這不僅深化了對CRL3功能的理解，也為針對CRLs的藥物開發(fā)提供了結構基礎。

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

結語

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在維持蛋白質穩(wěn)態(tài)和細胞功能中發(fā)揮核心作用，其失調與多種重大疾病密切相關。目前，以該系統(tǒng)為靶點的藥物研發(fā)已在腫瘤治療中取得實質性進展，包括蛋白酶體抑制劑、去泛素化酶抑制劑和泛素化酶調節(jié)劑等多類化合物。未來研究將繼續(xù)深化對該系統(tǒng)調控機制的理解，推動更具選擇性和高效性的治療策略的開發(fā)。

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