撰文 | 春曉
責編 | 兮
在人體内，平均每1個蛋白質需要5個合作夥伴一起組裝成多亞機關複合體，才能發揮細胞資訊傳遞作用【1】，這種合作形式就像一個分子機器。這種子產品化的複合體如何在正确的時間正确的地點進行正确的組裝？是生物學中的重要謎題。
而在這些子產品化複合體中有一個非常重要的存在，就是Cullin-RING E3連接配接酶家族（CRLs）。CRL家族的E3連接配接酶控制着細胞分裂、分化和存活。CRL是一種重要的泛素化酶，它将圍繞Cullin支架建構的催化核心與大約 300個可交換底物銜接蛋白（Adaptor）結合在一起。為了保障信号轉導的順利有序進行，細胞必須通過将底物結合的銜接蛋白與Cullin配對，不斷形成新的CRL，但這一系列組裝過程如何發生，目前尚不清楚。
2022年2月3日，加州大學伯克利分校的Michael Rapé研究小組在Molecular Cell雜志上發表題為Co-adaptor driven assembly of a CUL3 E3 ligase complex的研究論文，在這篇研究論文中，作者證明了單個CRL複合物的形成是一個嚴格調控的過程。以CUL3 KLHL12為例，它的共銜接蛋白PEF1-ALG2在單泛素化底物修飾之前，通過内質網的組裝抑制劑來釋放KLHL12，進而啟動CRL3的形成。由于共銜接蛋白也有助于招募底物，是以在CRL組裝中将靶辨別别與泛素化高效地結合了起來。子產品化E3連接配接酶對信号轉導至關重要，這項發現是對一般銜接蛋白交換機制的補充。
CRL3 E3 連接配接酶具有由 CUL3 和 RBX1 組成的催化核心和包含 BTB 結構域的銜接區域構成（圖1）。Michael Rape研究團隊2016年曾報道CUL3KLHL12需要共銜接 PEF1-ALG2 才能穩定識别其寡聚底物 SEC31A【2】，進而調控内質網分泌囊泡或自噬體降解過程。在這篇新作中，作者發現共銜接蛋白促進CRL3組裝作用與其向E3連接配接酶招募底物中的作用不同，是共銜接蛋白亞基PEF1驅動了CUL3KLHL12複合物的形成。
圖1：CRL3 E3 連接配接酶的結構
質譜檢測結果提示PEF1的缺失增加了KLHL12與SEC31A的結合，而與CUL3的結合則顯著減弱。同時，PEF1的缺失促進了内質網膜蛋白Lunapark（LNP）與KLHL12的互相作用，但KLHL12并不與共銜接蛋白或CUL3結合，LNP正是CRL3組裝的抑制劑。進一步進行的PEF1過表達則産生了相反的效果，減少了KLHL12與LNP的互相作用，同時富集了CUL3。
該團隊2016年的報道中還提到過Ca2+的缺乏會阻止KLHL12與CUL3的結合【2】。在這篇新作中，作者發現鈣信号所調節的是共銜接蛋白和LNP之間的競争，是以可能在生理上觸發CUL3KLHL12激活的是鈣信号。
接下來作者研究了PEF1是如何與CUL3 KLHL12作用的，PEF1需要依賴KLHL12的BTB結構域招募CUL3，PEF1的單泛素化可穩定并激活CUL3 KLHL12，實作高效的底物修飾。那麼與之相反的去泛素化過程又是誰在調控呢？一旦CUL3 KLHL12放開它的靶标，CAND1會從CUL3上釋放KLHL12，USP9X會從PEF1上拿走泛素，進而使CUL3 KLHL12失活。緊接着LNP會重新捕獲KLHL12，再進入下一輪組裝程式（圖2）。
圖2：CUL3 E3連接配接酶複合物組裝。
由此可見，共銜接蛋白不僅可以招募底物，還可以驅動CRL的組裝。在研究CUL3 KLHL12的過程中，作者發現即使銜接蛋白KLHL12已經與靶标結合，E3連接配接酶的形成仍需要它的輔助銜接蛋白PEF1-ALG2。
這項發現固然是對一般的銜接蛋白交換機制的新補充，但是BTB結構域上與CUL3結合的銜接蛋白有120個左右，這些銜接蛋白中，哪些需要共銜接蛋白進行底物結合還未知，另外，作者提到的這個程式性的機制是否适用于其他CRL家族也未知。這些遺留問題還有待進一步闡明。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.01.004
制版人： 十一
參考文獻
1. Huttlin, E.L., et al. (2017). Architecture of the human interactome defines protein communities and disease networks. Nature 545, 505–509.
2. McGourty, C.A., et al. (2016). Regulation of the CUL3 Ubiquitin Ligase by a Calcium-Dependent Co-adaptor. Cell 167, 525–538.e4.
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