文献解析|李珊珊/余希岚团队揭示调控蛋白质稳态的新机制

引言

在生物学领域，蛋白质稳态的调控是维持细胞正常功能和生命活动的重要机制之一。蛋白质的稳态受到多种因素的调节，包括合成、翻译后修饰、降解等过程。其中，组蛋白修饰作为一种重要的翻译后修饰方式，通过调控基因表达，参与多种生物学过程，如DNA修复、细胞周期、应激反应等。近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室的李珊珊/余希岚团队在Science Advances上发表了一篇题为“Cla4 phosphorylates histone methyltransferase Set1 to prevent its degradation by the APC/Cdh1 complex”的研究论文，该研究以组蛋白甲基转移酶Set1为研究对象，揭示了一种全新的调控蛋白质稳态的机制。本文将对该研究进行详细的解析。

研究背景

组蛋白是染色质的主要蛋白质组分，其翻译后修饰对于调控基因表达具有重要意义。其中，H3K4me3作为一种重要的组蛋白修饰，由Set1/MLL家族甲基转移酶催化。Set1在基因表达、端粒沉默、细胞寿命以及癌症发生过程中都发挥重要调控作用。然而，由于Set1在高等生物中同源物众多，组成复杂，且分子量大，导致相关研究受到极大限制。而在单细胞酿酒酵母中，Set1是催化H3K4me3的唯一甲基转移酶，且在物种间高度保守，因此酵母成为研究Set1家族功能和机制的理想模型。

研究目的

本研究旨在揭示Set1蛋白的表达及调控机制，特别是其如何通过翻译后修饰来维持蛋白质稳态，进而影响细胞的功能和命运。

研究方法

1. 利用酿酒酵母为研究模型：研究人员选择了酿酒酵母作为研究Set1的模型，因为其具有催化H3K4me3的唯一甲基转移酶Set1，且Set1在物种间高度保守。
2. 细胞周期同步化：为了研究Set1在细胞周期中的变化，研究人员对酿酒酵母进行了细胞周期同步化处理。
3. 蛋白质纯化与质谱技术：利用蛋白质纯化与质谱技术，研究人员鉴定了与Set1相互作用的蛋白质，并发现了新的调控机制。
4. 基因突变与过表达：通过基因突变和过表达技术，研究人员验证了Cla4激酶对Set1磷酸化的重要性，以及APC/CCdh1复合体对Set1降解的调控作用。

研究结果

1. Set1蛋白在G1期最低：研究人员发现，Set1蛋白水平在G1期最低，且由蛋白酶体途径调控。通过敲除CDH1基因，Set1蛋白水平得到恢复，而过表达CDH1则会使Set1蛋白水平下降。这些结果表明，APC/CCdh1在G1期介导Set1泛素化，导致其被蛋白酶体降解。
2. Cla4激酶催化Set1磷酸化：研究人员进一步发现，激酶Cla4催化Set1第228位丝氨酸（Set1-S228）的磷酸化，抑制了Set1与Cdh1相互作用，从而阻止Set1被降解。这一发现揭示了Cla4激酶在维持Set1蛋白质稳态中的重要作用。
3. P-Box序列的发现：通过蛋白纯化与质谱技术，研究人员发现除了Set1，至少还有141个蛋白可被Cla4-APC/CCdh1共调控。这些蛋白含有一段既可以被Cla4识别也可以被Cdh1识别的序列，RXS/TL（RXS/TL）。余希岚教授将该序列命名为P-Box（protection box）。其中，S/T是潜在的Cla4磷酸化位点，当该位点发生磷酸化，Cdh1对P-Box的识别受到抑制，进而阻止靶蛋白发生泛素化，从而保护靶蛋白不受蛋白酶体系统降解。

研究意义

1. 揭示新的调控蛋白质稳态的机制：本研究揭示了Cla4激酶通过催化Set1磷酸化来阻止其被APC/CCdh1复合体降解的新机制，为理解蛋白质稳态的调控提供了新的视角。
2. 扩展P-Box序列的应用：P-Box序列的发现为鉴定新的受Cla4-APC/CCdh1共调控的蛋白提供了基础，有助于进一步揭示蛋白质稳态的调控网络。
3. 为疾病治疗提供新思路：由于蛋白质稳态失调与多种疾病的发生和发展密切相关，本研究揭示的新机制可能为疾病治疗提供新的思路和靶点。例如，通过调节Cla4激酶或APC/CCdh1复合体的活性，可以影响Set1等关键蛋白的稳定性，从而调节细胞的功能和命运。

讨论

本研究揭示了Cla4激酶通过催化Set1磷酸化来阻止其被APC/CCdh1复合体降解的新机制，为理解蛋白质稳态的调控提供了重要的见解。然而，仍有一些问题有待进一步研究。例如，P-Box序列在其他物种中的保守性和功能如何？是否存在其他激酶也能催化Set1或其他含P-Box序列的蛋白的磷酸化？这些问题对于全面理解蛋白质稳态的调控网络具有重要意义。

此外，本研究还揭示了Cla4激酶和APC/CCdh1复合体在细胞周期调控中的重要作用。细胞周期是细胞生命活动的基础，其调控异常可能导致细胞增殖失控、凋亡受阻等病理变化。因此，本研究不仅为理解细胞周期的调控提供了新的视角，也为相关疾病的治疗提供了新思路。

结论

本研究以组蛋白甲基转移酶Set1为研究对象，揭示了Cla4激酶通过催化Set1磷酸化来阻止其被APC/CCdh1复合体降解的新机制。这一发现不仅为理解蛋白质稳态的调控提供了重要的见解，也为相关疾病的治疗提供了新的思路和靶点。未来，我们将继续深入研究这一机制在细胞周期调控、疾病发生和发展中的作用，以期为临床治疗和药物研发提供新的策略和方法。