分子细胞:发现内质网膜蛋白降解过程的护航因子

内质网质量控制系统精确调节和维持生命蛋白质的稳态水平，并通过泛素-蛋白酶体途径降解错误折叠或不需要的蛋白质。在内质网相关蛋白降解过程中，被多泛素化修饰的膜蛋白需要从其驻留的内质网磷脂双层膜转运到细胞质中，才能被位于细胞质中的蛋白酶体降解。

膜蛋白的跨膜结构域通常由一个或多个疏水性跨膜结构域组成。它们整合在内质网膜中，并与膜磷脂紧密结合。因此，膜蛋白的逆向跨膜转运要克服能量障碍，将疏水的跨膜螺旋与磷脂分开。这个过程是由AAA-ATP酶p97水解ATP产生的拉力驱动的。当一个疏水的跨膜螺旋从内质网膜上分离出来时，必须持续护送，直至与p97结合，以避免在细胞质的水环境中发生非特异性聚集或不必要的相互作用，导致蛋白质降解受到抑制，内质网或细胞受到应激。然而，膜蛋白的疏水性跨膜螺旋被持续护送到p97的具体机制尚未被研究。

近日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心张在荣课题组发表了一篇题为《TMUB1IS是一种内质网驻留的护航酶，促进P97介导的膜蛋白提取，在分子细胞上在线降解》的研究论文。本研究首次发现TMUB1作为膜蛋白降解中跨膜螺旋的特异性护送因子，揭示了TMUB1护送疏水性跨膜螺旋从内质网膜逆向转运至p97的分子机制。

本工作对反应相关受体亚单位TAP2和TCR等膜蛋白进行了研究，发现TMUB1可以特异性地促进p97驱动的具有强或中度疏水性跨膜螺旋的膜蛋白从内质网膜到细胞质的关键过程。当底物膜蛋白的跨膜结构域位于内质网膜的磷脂层时，位于内质网膜的TMUB1通过跨膜结构域与底物膜蛋白的疏水跨膜螺旋结合。随后，在底物跨膜螺旋与内质网膜分离并反向转运的过程中，TMUB1的胞质结构域可暂时与磷脂层约10 ~ 14个氨基酸的约半疏水跨膜螺旋结合。TMUB1的泛素样结构域可以募集p97，与TMUB1胞质结构域结合的疏水跨膜螺旋可以被分离并释放到胞质中。TMUB1的疏水跨膜螺旋护航功能一旦被破坏，膜蛋白的逆向转运就无法顺利完成，导致部分肽链的跨膜转运和剩余肽链在内质网膜上滞留的底物降解中间体的积累。

在这项工作中，确定了位于内质网膜中的疏水性跨膜螺旋特异性反向运输护送因子。结合多种细胞内和体外重塑实验，本研究揭示了内质网部分暴露于细胞质的疏水性跨膜螺旋在膜蛋白降解过程中发生逆向转运并由TMUB1持续护送的分子机制。TMUB1促进膜蛋白的逆向转运，其护送功能可以在p97的作用下缩短疏水跨膜螺旋暴露于细胞质的停留时间，从而避免有害中间体的聚集。这一成果也为哺乳动物跨膜蛋白逆向转运这一难题提出了新的研究模式，促进了对膜蛋白降解和逆向转运这一基本蛋白质运动过程的进一步研究。