E3泛素連接酶HOIL1L的催化機制和調控機理研究獲進展

　　泛素化修飾是哺乳動物細胞中廣泛存在的一種蛋白質翻譯后修飾。泛素化修飾包括單泛素化修飾和不同連接方式的多泛素化修飾。泛素化修飾在眾多的細胞過程中發揮關鍵作用，包括蛋白質降解、細胞自噬、DNA修復、信號傳導等。其中，線性泛素化修飾參與多種免疫相關過程，如NF-kB信號通路和抗入侵病原體的選擇性自噬等。線性泛素鏈組裝復合物（LUBAC）是目前已知的唯一一個可以介導線性泛素化修飾的E3泛素連接酶復合體，由一個催化亞基HOIP和兩個調節亞基HOIL-1L和SHARPIN所組成。其中，HOIL-1L作為一個獨特的RBR類型的E3泛素連接酶，可催化相關蛋白和糖類底物的單泛素化修飾，并可調控HOIP的線性泛素化活性。LUBAC的功能異常在小鼠模型和人身上均會引起免疫系統紊亂，并導致多種人類免疫相關的疾病。此外，HOIL-1L的E3酶活性的缺失，導致有害的聚葡萄糖體在人體心肌和腦組織中的累積，并引起心肌病、支鏈淀粉病等疾病。中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室潘李鋒研究組致力于LUBAC的作用機制和調控機理研究。課題組前期研究闡明了SHARPIN結合HOIP進而激活HOIP的分子機制，并首次揭示了致病福氏志賀氏菌（S. flexneri）的E3效應蛋白IpaH1.4/2.5采用多種“伎倆”破壞LUBAC的作用機制。

　　近期，潘李鋒研究組在《科學進展》（Science Advances）上，發表了題為Mechanistic insights into the enzymatic activity of E3 ligase HOIL-1L and its regulation by the linear ubiquitin chain-binding的研究論文。該團隊綜合利用液體核磁共振和X射線單晶衍射技術，解析了HOIL-1L的催化核心區域（IBR-RING2）的晶體結構，發現了它的RING2結構域中存在新穎的Zn2-Cys6雙核簇。進一步，結合相關的生化實驗，該工作確定了HOIL-1L中獨特的催化三聯組，并發現了HOIL-1L完整的RBR模塊連同NZF結構域可作為一個整體發揮其E3酶活性，且介導相關蛋白和糖類底物的單泛素化修飾。同時，該團隊利用等溫量熱滴定、分析型超速離心等技術，揭示了HOIL-1L的NZF和RBR區域含有兩個不同的線性泛素二聚體的結合位點。這一結合位點可協同結合線性泛素四聚體，同時，該相互作用可以顯著地增強HOIL-1L的E3酶活性。進而，利用X射線單晶衍射技術，該團隊解析了HOIL-1L和線性泛素四聚體的復合物晶體結構，剖析了HOIL-1L識別線性泛素四聚體的分子機制。同時，基于相關的結構分析、生化和細胞生物學實驗，該團隊發現了HOIL-1L中獨特的變構泛素結合位點，線性泛素鏈在該位點的結合會誘導變構效應，顯著促進HOIL-1L的E3酶活性，進而影響HOIP的線性泛素化活性。

　　綜上，該工作通過系統的生化和結構研究，揭示了HOIL-1L發揮E3酶活性的作用機制及其受線性泛素鏈結合調控的分子機理。該團隊對HOIL-1L在線性泛素鏈存在條件下，催化底物單泛素化修飾過程提出了一個作用模型：HOIL-1L通過其NZF-IBR區域和線性泛素四聚體發生緊密結合，其中線性泛素二聚體與變構位點的結合會引起RING1區域的構象變化，進而促進HOIL-1L與E2~Ub的結合；IBR-RING2區域接近E2~Ub中間體，完成Ub在E2和HOIL-1L之間的傳遞；HOIL-1L~Ub中間體與底物相互作用進而完成底物的單泛素化修飾。該研究從結構角度對HOIL-1L的催化機制及其受線性泛素鏈結合調控的分子機理提供了新見解，擴展了領域內對RBR類型E3泛素連接酶的催化機制的認識。

　　研究工作獲得國家自然科學基金委員會、科學技術部、上海市科學技術委員會、中國科學院和生命有機化學國家重點實驗室的資助，并得到上海蛋白質中心彭超團隊在質譜分析方面的支持。

　　論文鏈接

　　圖1.HOIL-1L發揮E3酶活性以及結合線性泛素四聚體的分子機制

圖2. 線性泛素鏈結合促進HOIL-1L的E3酶活性的作用模型圖