Science：揭示N-豆蔻醯化蛋白質量控制機制

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泛素-蛋白酶體系統（ubiquitin-proteasome system, UPS）是細胞實現選擇性蛋白降解的主要途徑。E3泛素連接酶是這種系統中特異性的主要決定因素，這種特異性被認為是通過選擇性識別底物蛋白中的特定蛋白降解子（degron）基序來實現的。然而，人們識別這些蛋白降解子並將它們與其相關的E3連接酶匹配在一起的能力仍然面臨重大挑戰。

圖片來自Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw4912。

人們早就知道蛋白的穩定性受其N-末端氨基酸殘基的影響，並且在過去三十年中大量的研究工作已描述了一系列N-端規則（N-end rule）途徑，這些途徑通過N-末端的蛋白降解子基序讓其所在的蛋白遭受降解。

近期，美國哈佛醫學院的Itay Koren、Stephen J. Elledge及其團隊開發出全局蛋白穩定性-多肽組（Global Protein Stability- peptidome）技術，並利用它描繪了一組位於蛋白C-末端的蛋白降解子。在一項新的研究中，這些研究人員採用這種方法探究了人類N-末端組（N terminome）的穩定性，從而允許他們以一種無偏見的方式重新評估他們對蛋白降解子途徑的理解。相關研究結果發表在2019年7月5日的Science期刊上，論文標題為「A glycine-specific N-degron pathway mediates the quality control of protein N-myristoylation」。

對人類N-末端組的穩定性分析取得兩項重大發現：UBR家族E3連接酶的擴展庫包括以在一個完整的起始蛋氨酸之後的精氨酸和賴氨酸開始的底物；更值得注意的是，位於N-末端的甘氨酸能夠充當一種強大的蛋白降解子。

這些研究人員建立了人胚胎腎293T報告細胞系，在這種細胞系中，帶有一種稱為N-末端甘氨酸的蛋白降解子的不穩定肽與綠色熒光蛋白（GFP）融合在一起，隨後進行CRISPR篩選以鑒定出所涉及的降解機制。這些篩選鑒定出兩種由相關的底物銜接蛋白ZYG11B和ZER1定義的Cul2 Cullin-RING E3連接酶複合物，而且這兩種複合物冗餘地作用於具有N-末端甘氨酸的目標底物，從而讓它們被蛋白酶體降解。此外，通過對作為例子加以說明的底物進行飽和誘變，他們確定了由ZYG11B和ZER1特異性識別的優選N-末端甘氨酸蛋白降解子的組成。

這些研究人員發現優選的N-末端甘氨酸蛋白降解子從後生動物蛋白質組的天然N末端移除，這表明蛋白經過進化後避免通過這種途徑進行降解，但在經過注釋的半胱天冬酶（caspase）切割位點上強烈富集。對位於所有已知的半胱天冬酶切割位點下游的N-末端肽開展的穩定性分析證實了Cul2ZYG11B和Cul2ZER1可在凋亡過程中對蛋白水解切割產物的移除作出重大貢獻。

最後，這些研究人員確定了ZYG11B和ZER1在N-豆蔻醯化蛋白（N-myristoylated protein）質量控制中的作用。N-豆蔻醯化是一種重要的翻譯後修飾，僅在N-末端甘氨酸上發生。通過在不存在N-肉豆蔻醯基轉移酶NMT1和NMT2的情況下分析人N-末端組的穩定性，他們發現未經歷N-豆蔻醯化反應的蛋白底物會暴露出它的N末端甘氨酸蛋白降解子，不然這些蛋白降解子會被遮擋住。因此，讓甘氨酸蛋白降解子有條件地暴露於ZYG11B和ZER1中，從而可以允許對已逃避N末端豆蔻醯化的異常蛋白進行選擇性蛋白酶體降解。

綜上所述，這些數據表明另外一種以N-末端甘氨酸為中心的N-末端蛋白降解子途徑調節後生動物蛋白質組的穩定性。Cul2ZYG11B和Cul2ZER1介導的通過N-末端甘氨酸蛋白降解子進行的蛋白降解可能在清除細胞凋亡過程中由半胱天冬酶切割產生的蛋白水解片段和N-豆蔻醯化蛋白的質量控制中起著特別重要的作用。

原始出處：Richard T. Timms et al. A glycine-specific N-degron pathway mediates the quality control of protein N-myristoylation. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw4912.

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