上海有機所在E3泛素連接酶HOIL-1L的催化機制和調(diào)控機理研究方面取得新進展
文章來源:上海有機化學(xué)研究所 | 發(fā)布時間:2023-10-18 | 【打印】 【關(guān)閉】
泛素化修飾是哺乳動物細胞中廣泛存在的一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾,包括單泛素化修飾和不同連接方式的多泛素化修飾,在眾多的細胞過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,包括蛋白質(zhì)降解、細胞自噬、DNA修復(fù)、信號傳導(dǎo)等。其中,線性泛素化修飾參與多種免疫相關(guān)過程,如NF-kB信號通路和抗入侵病原體的選擇性自噬等。線性泛素鏈組裝復(fù)合物(LUBAC)是目前已知的唯一一個可以介導(dǎo)線性泛素化修飾的E3泛素連接酶復(fù)合體,由一個催化亞基HOIP和兩個調(diào)節(jié)亞基HOIL-1L和SHARPIN所組成。其中,HOIL-1L作為一個獨特的RBR類型的E3泛素連接酶,可催化相關(guān)蛋白和糖類底物的單泛素化修飾,并可調(diào)控HOIP的線性泛素化活性。LUBAC的功能異常在小鼠模型和人身上都會引起免疫系統(tǒng)紊亂,并導(dǎo)致多種人類免疫相關(guān)的疾病。此外,HOIL-1L的E3酶活性的缺失會導(dǎo)致有害的聚葡萄糖體在人體心肌和腦組織中的累積,并引起心肌病、支鏈淀粉病等疾病。中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生命有機化學(xué)國家重點實驗室的潘李鋒研究組長期致力于LUBAC的作用機制和調(diào)控機理研究。課題組前期的相關(guān)研究工作系統(tǒng)闡明了SHARPIN結(jié)合HOIP進而激活HOIP的分子機制(Cell Reports. 2017, 21(1), 27-36),并首次揭示了致病福氏志賀氏菌(S. flexneri)的E3效應(yīng)蛋白IpaH1.4/2.5采用多種“伎倆”破壞LUBAC的作用機制(PNAS. 2022, 119(12), e2116776119)。
近期,潘李鋒研究組在Science Advances發(fā)表了題為“Mechanistic insights into the enzymatic activity of E3 ligase HOIL-1L and its regulation by the linear ubiquitin chain-binding”的研究論文(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi4599)。在該項研究中,該團隊首先綜合利用液體核磁共振和X射線單晶衍射技術(shù),成功解析了HOIL-1L的催化核心區(qū)域(IBR-RING2)的晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其RING2結(jié)構(gòu)域中存在一個新穎的Zn2-Cys6雙核簇。進一步結(jié)合相關(guān)的生化實驗,確定了HOIL-1L中非常獨特的催化三聯(lián)組,并發(fā)現(xiàn)HOIL-1L完整的RBR模塊連同NZF結(jié)構(gòu)域可作為一個整體發(fā)揮其E3酶活性,介導(dǎo)相關(guān)蛋白和糖類底物的單泛素化修飾。同時,該團隊利用等溫量熱滴定、分析型超速離心等技術(shù),揭示了HOIL-1L的NZF和RBR區(qū)域含有兩個不同的線性泛素二聚體的結(jié)合位點,其可協(xié)同結(jié)合線性泛素四聚體,并且該相互作用可以顯著地增強HOIL-1L的E3酶活性。隨后,利用X射線單晶衍射技術(shù),該團隊進一步首次解析了HOIL-1L和線性泛素四聚體的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu),詳細闡明了HOIL-1L識別線性泛素四聚體的分子機制。同時,基于相關(guān)的結(jié)構(gòu)分析、生化和細胞生物學(xué)實驗,該團隊發(fā)現(xiàn)了HOIL-1L中獨特的變構(gòu)泛素結(jié)合位點,線性泛素鏈在該位點的結(jié)合會誘導(dǎo)變構(gòu)效應(yīng),顯著促進HOIL-1L的E3酶活性,進而影響HOIP的線性泛素化活性。
綜上所述,該研究工作通過系統(tǒng)的生化和結(jié)構(gòu)研究詳細揭示了HOIL-1L發(fā)揮E3酶活性的作用機制及其受線性泛素鏈結(jié)合調(diào)控的分子機理。據(jù)此,該團隊也對HOIL-1L在線性泛素鏈存在條件下,催化底物單泛素化修飾過程提出了一個作用模型:HOIL-1L通過其NZF-IBR區(qū)域和線性泛素四聚體發(fā)生緊密結(jié)合,其中線性泛素二聚體與變構(gòu)位點的結(jié)合會引起RING1區(qū)域的構(gòu)象變化,進而促進HOIL-1L與E2~Ub的結(jié)合;同時,IBR-RING2區(qū)域接近E2~Ub中間體,完成Ub在E2和HOIL-1L之間的傳遞;最后,HOIL-1L~Ub中間體與底物相互作用進而完成底物的單泛素化修飾。總之,該研究工作從結(jié)構(gòu)角度對HOIL-1L的催化機制及其受線性泛素鏈結(jié)合調(diào)控的分子機理提供了新見解,擴展了領(lǐng)域內(nèi)對RBR類型E3泛素連接酶的催化機制的認(rèn)識。
圖2. 線性泛素鏈結(jié)合促進HOIL-1L的E3酶活性的作用模型圖
潘李鋒課題組已畢業(yè)的博士生許曉龍和博士后王亞茹為本文的共同第一作者。上述研究工作得到上海蛋白質(zhì)中心的彭超博士團隊在質(zhì)譜分析方面的大力支持,同時獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點研發(fā)專項項目、上海市科委、中國科學(xué)院和生命有機化學(xué)國家重點實驗室的資助。

圖1. HOIL-1L發(fā)揮E3酶活性以及結(jié)合線性泛素四聚體的分子機制
