揭示蛋白酶體在遭受應(yīng)激時的相分離機制

蛋白酶體是一種主要的蛋白水解機器，通過選擇性地降解泛素化蛋白來調(diào)節(jié)細(xì)胞中的蛋白穩(wěn)態(tài)（proteostasis）。鑒于蛋白穩(wěn)態(tài)的維持對人類健康至關(guān)重要，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）的失靈會導(dǎo)致癌癥、炎癥和神經(jīng)變性等各種疾病。然而，人們迄今為止并不知道UPS背后的整體原理。在一項新的研究中，來自日本東京都醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所等研究機構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)了UPS在應(yīng)激狀態(tài)下的蛋白降解新機制。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Stress- and ubiquitylation-dependent phase separation of the proteasome”。

論文共同通訊作者Yasushi Saeki博士說，“大約在2013年，我們發(fā)現(xiàn)蛋白酶體在高滲刺激（hyperosmotic stimuli）下形成細(xì)胞核聚集點（nuclear foci）。這是非常令人印象深刻的，因為均勻分布的蛋白酶體在短短幾秒鐘內(nèi)就形成了細(xì)胞核聚集點，但是在我們知道液-液相分離（LLPS）之前，我們還需要時間來理解這一現(xiàn)象的含義。LLPS是細(xì)胞中的一種快速、可逆、廣泛分布的區(qū)室化機制。蛋白酶體的細(xì)胞核聚集點實際上表現(xiàn)出了類似液體的行為，而且一系列的實驗表明，蛋白酶體的LLPS是用于降解泛素化蛋白。”

高滲應(yīng)激誘導(dǎo)的蛋白酶體液滴是一種瞬時結(jié)構(gòu)，在蔗糖處理后幾小時內(nèi)消失。這些蛋白酶體液滴還含有泛素化底物和多種蛋白酶體相互作用蛋白。蛋白酶體液滴的形成依賴于蛋白的泛素化，而這些蛋白液滴的消失取決于蛋白酶體的活性，這就表明蛋白酶體液滴促進了蛋白降解。急性高滲應(yīng)激會導(dǎo)致細(xì)胞體積減少和核仁應(yīng)激，從而使得核糖體生物合成遭遇失敗，以及作為主要UPS底物的孤兒核糖體蛋白在核質(zhì)中的積累。確實，高滲應(yīng)激會誘導(dǎo)核糖體蛋白泛素化，并在蛋白酶體液滴中降解。因此，泛素化蛋白水平升高會觸發(fā)蛋白酶體液滴的形成。

Saeki博士和他的同事們進一步研究了蛋白酶體如何被招募到這個液態(tài)的細(xì)胞亞區(qū)室。他們鑒定出蛋白酶體的底物穿梭因子RAD23B是誘導(dǎo)泛素化蛋白以及蛋白酶體發(fā)生液-液相分離（LLPS）的關(guān)鍵分子。RAD23B具有兩個典型的泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域（UBA）和一個蛋白酶體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（UBL）。他們在體外成功地重組了含有RAD23B和泛素的液滴，并表明RAD23B的UBA結(jié)構(gòu)域和較長的聚泛素鏈之間的弱多價相互作用驅(qū)動了同相分離（co-phase separation）。由此可見，RAD23B通過UBA結(jié)構(gòu)域收集細(xì)胞泛素化蛋白從而形成液滴，然后通過UBL結(jié)構(gòu)域招募蛋白酶體。

Saeki博士說，“這項研究很好地說明了泛素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與LLPS之間的相互作用。考慮到泛素主要是作為一種聚合物體發(fā)揮作用，這種泛素聚合物的生物學(xué)意義之一可能在于LLPS。研究其他泛素結(jié)合蛋白是否經(jīng)歷相分離將是非常有趣的。另外，有人認(rèn)為，易聚集的蛋白會從液態(tài)液滴轉(zhuǎn)化為固態(tài)聚集物。在這種情況下，急性高滲應(yīng)激可能會導(dǎo)致蛋白聚集物的不可逆積累，特別是當(dāng)?shù)鞍酌阁w活性降低時。”