真核細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解主要通過自噬（autophagy）和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system）兩種途徑發(fā)生。在泛素-蛋白酶體負責的蛋白降解過程中，一系列泛素酶的級聯(lián)反應(yīng)為底物蛋白作上泛素標記，使其能夠被蛋白酶體識別并降解。其中，最重要的泛素連接酶E3為蛋白降解反應(yīng)賦予了特異性，在人體中表達超過600種的E3蛋白通過與底物蛋白的相關(guān)結(jié)構(gòu)域進行選擇從而在不同場景下降解指定的蛋白。在對泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的這一反應(yīng)特異性的探索過程中，人們發(fā)現(xiàn)了一條重要的規(guī)律，被稱作“N端規(guī)則”（N-end rule），即蛋白質(zhì)的半衰期取決于其N端的氨基酸殘基的種類和特性；具有這類性質(zhì)的N端殘基被賦予“N端降解子”（N-terminal degron）的名稱。盡管由N端規(guī)則支配的蛋白降解和質(zhì)控途徑對于包括細胞凋亡、線粒體狀態(tài)、癌癥發(fā)生等多類生物過程均具有相當重要的影響，且對于細胞工程利用蛋白降解系統(tǒng)具有顯著意義，人們迄今為止還未掌握N端規(guī)則的全貌，尤其是N端降解子和E3泛素酶和互作特異性形成機制。
2019年7月5日，來自美國哈佛醫(yī)學院（Harvard Medical School）的研究人員在Science上發(fā)表了題為?A glycine-specific N-degron pathway mediates the quality control of protein N-myristoylation的長文，對蛋白降解N端規(guī)則進行了全面而細致的解剖。
在該研究中，作者利用改造后的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性全局報告質(zhì)粒系統(tǒng)（Global Protein Stability, GPS）構(gòu)建了一個具有數(shù)萬種人類蛋白質(zhì)N端序列的由GFP和DsRed雙熒光表征的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性篩選庫。這一強大的系統(tǒng)能夠為每一個N端序列都賦予一個指數(shù)，代表其通過N端規(guī)則對蛋白降解效率的影響程度。在此基礎(chǔ)上，作者通過比較同一組氨基酸殘基處于近N端時和處于中間部分時對應(yīng)的蛋白穩(wěn)定指數(shù)，發(fā)現(xiàn)甘氨酸（glycine）、賴氨酸（lysine）、精氨酸（arginine）和半胱氨酸（cysteine）對蛋白不穩(wěn)定性的促進作用最強。另外，利用一系列基因敲除和篩選手段，作者發(fā)現(xiàn)了一條新的由Cullin蛋白家族中的ZYG11B和ZER1所介導的獨立于UBR蛋白的甘氨酸作為N端降解子的蛋白降解途徑。最后，作者還展示了這一途徑的兩點生物學意義：一是在細胞內(nèi)重要的翻譯后修飾——豆蔻酰化（myristoylation）失效時，原本被保護的蛋白N端甘氨酸殘基暴露在外，使蛋白受到ZYG11B和ZER1泛素酶的攻擊而穩(wěn)定性大大降低；二是作為強效N端降解子的甘氨酸殘基在凋亡過程中由半胱天冬酶（caspase）介導產(chǎn)生的反應(yīng)物中顯著富集，而實驗也證明上述兩種甘氨酸降解子特異泛素酶能夠高效率地降解凋亡產(chǎn)物。
總之，該項研究系統(tǒng)性地從單氨基酸水平揭示了蛋白質(zhì)降解領(lǐng)域中的重要法則——N端規(guī)則的具體內(nèi)涵和決定因素，其發(fā)現(xiàn)的由兩個非經(jīng)典E3泛素酶介導的新N端降解途徑及其對應(yīng)的生物學意義豐富了人們對蛋白降解過程的認知，也對人們利用這一系統(tǒng)進行高效特異的生物工程設(shè)計提供了助力。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/365/6448/eaaw4912
