对于自然界的万千生命，蛋白质的合成构成了一切生命活动的基础。另一方面，蛋白质在完成使命后如何被机体降解，同样是一个至关重要的问题。2004年，以色列的Aaron Cichanover教授、Avram Hershko教授以及美国的Irwin Rose教授因为揭示了泛素调节蛋白质降解的机制，共同被授予诺贝尔化学奖。

所谓泛素化，指的是这样一个蛋白质修饰过程：在一系列酶的参与下，泛素分子选出特定的靶蛋白，给它们“贴上标签”。随后，这些被修饰的蛋白质会被送入蛋白酶体，在这台“蛋白质粉碎机”中被切割成碎片，实现蛋白质的降解。

现在人们已经发现，这种广泛存在于真核生物中的修饰过程，调控了几乎所有细胞过程，包括细胞分裂、DNA修复、免疫应答等。但对于相关酶在这个过程中的具体作用机制，人们的认识依然较为有限。

本周，在一项发表于《自然》的最新研究中，美国芝加哥大学赵明磊教授团队和清华大学刘磊教授团队合作，使用蛋白质化学合成技术和冷冻电镜技术深入探究了泛素化过程中的具体机制。

在参与泛素化修饰的酶中，泛素连接酶（E3酶）对于泛素化的形成至关重要。其中一种单链E3酶名为Ubr1，其介导的N端降解通路（N-degron pathway）是史上首个被发现的泛素降解过程。

N端降解通路决定了人体大多数蛋白质的降解速率，而这个通路中的错误会导致错误折叠或受损的蛋白质的积累，进一步导致衰老过程、神经退行性疾病、一些罕见的常染色体隐性遗传病。而Ubr1可以识别含有N端降解子的蛋白质，对其进行一种被称作K48链型的泛素化修饰，最终降解这些蛋白质。

然而，尽管Ubr1已经被发现了30多年，它如何启动泛素化、K48链型泛素链如何延伸依然是个未知数。一个重要原因在于，级联反应中的中间步骤是一个瞬时、动态的过程，因此难以捕捉到反应过程中的中间体。

在这项研究中，研究团队首先利用蛋白质化学合成技术模拟了Ubr1催化反应中的中间体。利用这些模拟的中间体，研究团队通过冷冻电镜捕获了Ubr1在介导启动泛素化，以及K48泛素链延伸时的构象。这些工作生成了单个分子与亚细胞结构的图像，解析了关键中间步骤的高分辨冷冻电镜结构。

▲Ubr1开启泛素化反应的示意图（图片来源：Pan, et al, University of Chicago）

基于这些研究，研究团队还明确了Ubr1催化泛素化反应的一系列关键结构元件，从而帮助我们进一步理解由E3酶介导的蛋白质多聚泛素化的反应机制。

论文共同通讯作者赵明磊教授表示：“在这项研究之前，对于泛素聚合物是如何形成的，我们的认识很有限。现在我们终于开始认识到，泛素是如何与蛋白质底物结合，以及聚合物是如何形成的。对于在近原子层面理解泛素化过程，这项研究是一个里程碑式的突破。”

芝加哥大学赵明磊教授、清华大学刘磊教授和芝加哥大学于圆圆博士（现为上海大学医学院教授）为本文的共同通讯作者。芝加哥大学潘漫博士（现为上海交通大学转化医学研究院副教授）为本文的第一作者和共同通讯作者，清华大学化学系郑清芸博士、清华大学生命学院博士生王天和清华大学化学系梁陆军博士为本文的共同第一作者。

参考资料：

[1] Pan, M., Zheng, Q., Wang, T. et al. Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04097-8

[2] Advanced microscopes help scientists understand how cells break down proteins. Retrieved Nov 17th, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/934980