Nature：重大进展!揭示蛋白酶体在遭受应激时的相分离机制

2020年5月12日讯/BIOON/---蛋白酶体是一种主要的蛋白水解机器，通过选择性地降解泛素化蛋白来调节细胞中的蛋白稳态（proteostasis）。鉴于蛋白稳态的维持对人类健康至关重要，泛素-蛋白酶体系统（UPS）的失灵会导致癌症、炎症和神经变性等各种疾病。然而，人们迄今为止并不知道UPS背后的整体原理。在一项新的研究中，来自日本东京都医学科学研究所等研究机构的研究人员发现了UPS在应激状态下的蛋白降解新机制。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Stress- and ubiquitylation-dependent phase separation of the proteasome”。

图片来自Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science。

论文共同通讯作者Yasushi Saeki博士说，“大约在2013年，我们发现蛋白酶体在高渗刺激（hyperosmotic stimuli）下形成细胞核聚集点（nuclear foci）。这是非常令人印象深刻的，因为均匀分布的蛋白酶体在短短几秒钟内就形成了细胞核聚集点，但是在我们知道液-液相分离（LLPS）之前，我们还需要时间来理解这一现象的含义。LLPS是细胞中的一种快速、可逆、广泛分布的区室化机制。蛋白酶体的细胞核聚集点实际上表现出了类似液体的行为，而且一系列的实验表明，蛋白酶体的LLPS是用于降解泛素化蛋白。”

高渗应激诱导的蛋白酶体液滴是一种瞬时结构，在蔗糖处理后几小时内消失。这些蛋白酶体液滴还含有泛素化底物和多种蛋白酶体相互作用蛋白。蛋白酶体液滴的形成依赖于蛋白的泛素化，而这些蛋白液滴的消失取决于蛋白酶体的活性，这就表明蛋白酶体液滴促进了蛋白降解。急性高渗应激会导致细胞体积减少和核仁应激，从而使得核糖体生物合成遭遇失败，以及作为主要UPS底物的孤儿核糖体蛋白在核质中的积累。确实，高渗应激会诱导核糖体蛋白泛素化，并在蛋白酶体液滴中降解。因此，泛素化蛋白水平升高会触发蛋白酶体液滴的形成。

Saeki博士和他的同事们进一步研究了蛋白酶体如何被招募到这个液态的细胞亚区室。他们鉴定出蛋白酶体的底物穿梭因子RAD23B是诱导泛素化蛋白以及蛋白酶体发生液-液相分离（LLPS）的关键分子。RAD23B具有两个典型的泛素结合结构域（UBA）和一个蛋白酶体结合结构域（UBL）。他们在体外成功地重组了含有RAD23B和泛素的液滴，并表明RAD23B的UBA结构域和较长的聚泛素链之间的弱多价相互作用驱动了同相分离（co-phase separation）。由此可见，RAD23B通过UBA结构域收集细胞泛素化蛋白从而形成液滴，然后通过UBL结构域招募蛋白酶体。

Saeki博士说，“这项研究很好地说明了泛素信号转导与LLPS之间的相互作用。考虑到泛素主要是作为一种聚合物体发挥作用，这种泛素聚合物的生物学意义之一可能在于LLPS。研究其他泛素结合蛋白是否经历相分离将是非常有趣的。另外，有人认为，易聚集的蛋白会从液态液滴转化为固态聚集物。在这种情况下，急性高渗应激可能会导致蛋白聚集物的不可逆积累，特别是当蛋白酶体活性降低时。”（100医药网 100yiyao.com）

参考资料：

1.Sayaka Yasuda et al. . Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1982-9.

2.Proteasome phase separation for destruction

https://phys.org/news/2020-04-proteasome-phase-destruction.html