Nature：赵明磊/刘磊团队合作揭示泛素连接酶连续催化过程的结构机制

泛素化 是真核生物中广泛存在的翻译后修饰之一，调控了几乎所有细胞过程。泛素化修饰的酶学系统中，泛素连接酶 （E3酶） 具有严格的底物识别和泛素链生成特异性，在泛素化生成过程中扮演了最关键的角色。人的基因组中一共编码了超过600余种E3酶，其中一些被证明是多种疾病治疗的重要靶点。另一方面，E3酶依赖的蛋白水解靶向嵌合体技术 （PROTAC） 的发展，又为药物诊疗技术带来了新变革。因此，理解各种E3酶的底物特异性和催化机制成为泛素领域的热点问题。 

2021年11月18日，美国芝加哥大学 赵明磊 团队、清华大学 刘磊 团队合作在 Nature 上发表了题为：Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination 的研究论文。 

该研究通过蛋白化学合成技术和冷冻电镜技术，揭示了泛素E3连接酶Ubr1识别并以K48链型多聚泛素化修饰底物的动态机制。 图1. Ubr1催化泛素化起始和延伸的机理模型图 

Ubr1是一种从酵母到人类保守的单链E3酶，其介导的N端降解通路 （N-degron pathway） 是历史上第一个被发现的泛素降解过程 （1989年） 。Ubr1可以识别含有N端降解子 （Arg/N-degron） 的底物，并对其进行K48链型特异的快速多聚泛素化修饰，最终促使底物被蛋白酶体降解。尽管被发现了三十多年，Ubr1如何通过单个泛素交联酶 （E2酶） Ubc2来实现底物泛素化的起始和K48链型泛素链的延伸仍然未知。研究的瓶颈主要在于E3酶介导的酶促级联反应是个瞬时、动态的过程，因此难以捕获到稳定的中间体来建立相关酶学反应的原子分辨率模型。 在这项研究中，研究团队采取“化学捕获”策略，利用蛋白质化学合成技术分别获取了Ubr1催化的第一步和第二步泛素转移反应的中间体模拟物，并使用这些模拟物分别捕获了Ubr1在介导底物蛋白的泛素化起始和K48泛素链延伸时的构象，最终解析了相关酶促步骤的高分辨冷冻电镜结构。 图2. “化学捕获”策略获取特定泛素E3酶的催化构象   

通过结构分析和体外生化研究，作者们发现并鉴定了Ubr1催化泛素化反应的关键结构元件，包括底物结合元件Ubr-Box1及Ubr-Box2，Ubc2招募元件U2BR （Ubc2-binding region） 和受体泛素结合元件 （Ub-binding loop） ，这些元件的表征使我们进一步理解了泛素E3酶介导的底物蛋白多聚泛素化的反应机制。 图3. a.起始构象复合物结构。b.延伸构象复合物结构   

芝加哥大学赵明磊教授、清华大学刘磊教授和芝加哥大学于圆圆博士（现为上海大学医学院教授）为本文的共同通讯作者。芝加哥大学潘漫博士（现为上海交通大学转化医学研究院副教授）为本文的第一作者和共同通讯作者，清华大学化学系郑清芸博士、清华大学生命学院博士生王天和清华大学化学系梁陆军博士为本文的共同第一作者。 

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04097-8