2024年5月6日，北京大学深圳医院、北京大学北大-清华生命科学联合中心、北京大学基础医学院尹玉新教授团队在Nature Communications杂志在线发表了A conserved N-terminal motif of CUL3 contributes to assembly and E3 ligase activity of CRL3^KLHL22研究论文。该论文报道了Cullin3家族E3泛素连接酶二聚化组装完整性的质量控制机制，为理解Cullin3家族E3泛素连接酶的工作机理提供了见解。

“There is a time for everything: a time to be born and a time to die.”这句古老的谚语，同样适用于细胞内的蛋白质分子。如果将蛋白质的翻译过程看作其生命的开始，那么蛋白质的泛素化修饰则预示着其生命的终结。蛋白质的泛素化修饰是一个严格调控的酶促级连反应过程，其中E3泛素连接酶发挥着关键作用。在哺乳动物细胞内有超过600种E3泛素连接酶，而Cullin RING家族E3泛素连接酶是其中最大的一类。特别是基于Cullin3蛋白作为脚手架亚基的Cullin RING E3，即CRL3s E3泛素连接酶，在细胞感受营养状态、氧化还原应激等过程中发挥着重要作用，其功能的异常与肿瘤的发生发展密切相关。

CRL3s以二聚化六元复合物的组装形式发挥功能活性。完整组装过程分为两步来完成（图1）。第一步组装过程是底物识别亚基BTB结构域蛋白形成二聚化BTB核心。第一步的质量控制机制称为Dimerization quality control【1-2】。第二步组装过程是二聚化的BTB核心招募2个CUL3-RBX1分子，形成二聚化的CRL3s完整六元复合物活性形成。然而，细胞如何控制二聚化BTB核心招募两个CUL3-RBX1分子，而不是只招募一个CUL3-RBX1分子，一直没有得到深入揭示。

图1 Cullin3家族E3泛素连接酶组装过程

本研究论文通过使用冷冻电镜解析CRL3^KLHL22全长结构来探究CRL3s如何组装成完整二聚化六元复合物（图2a）。作者意外观察到CUL3脚手架亚基的N末端柔性区域与BTB核心的两个亚基均存在相互作用（图2c和d），这提示CUL3并不是简单的被招募到BTB核心，而可能是通过N末端柔性区域介导的多价相互作用参与调控CRL3s二聚化六元复合物的完整组装。作者接下来使用CUL3 N末端柔性区域截短突变体进行了组装完整性探究。ITC、SEC、SEC-MALS、Cryo-EM、质量光度计、泛素化酶活性等实验结果均一致显示CUL3 N末端柔性区域的缺失让二聚化的BTB核心只招募一个CUL3-RBX1分子，形成没有活性的异常组装形式（图2b和图3）。鉴于CUL3 N末端柔性序列在组装过程中的重要作用，作者将该序列命名为NA motif （N-terminal Assembly motif）。

图2 (a) 二聚化CRL3^KLHL22冷冻电镜结构。(b) CUL3 N末端motif缺失后异常组装的CRL3^KLHL22冷冻电镜结构。(c和d)意外观察到的CUL3 N末端motif。

序列保守性分析发现，CUL3 NA motif在昆虫、鱼类、两栖类、鸟类、哺乳类中是保守的，这提示CUL3 NA motif参与的组装机制可能在进化过程中也是保守的。与预想的结果一致，作者验证了这种CUL3 NA motif参与的组装机制同样适用于其他CRL3s的组装。

图3 野生型CUL3能被正常招募到二聚化BTB核心，进而组装成完整有活性的CRL3s E3泛素连接酶。而CUL3 NA motif缺失或者疾病相关突变则不能完整组装成有活性的CRL3s E3泛素连接酶。

总之，该论文回答了Cullin3家族E3泛素连接酶如何组装成完整有活性二聚化六元复合物的问题，提出了CUL3 NA motif-contributed assembly的观点，为理解Cullin3家族E3泛素连接酶的工作机制以及疾病相关突变的致病机理提供了见解。

北京大学深圳医院、北京大学北大-清华生命科学联合中心、北京大学基础医学院尹玉新教授和北京大学基础医学院梁令副研究员为本论文的共同通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院北大-清华生命科学联合中心博士研究生王伟泽、北京大学基础医学院梁令副研究员、北京大学基础医学院博士研究生戴宗林为本论文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48045-2