生物体主要通过泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-proteasome system, UPS）选择性降解功能失调的蛋白来维持蛋白质稳态。UPS系统失调和许多疾病如神经退行性疾病、衰老、癌症密切相关。UPS系统通过泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列级联反应将底物泛素化，从而被26S蛋白酶体降解。其中，E3泛素连接酶能够特异识别底物的降解信号（degron），决定了UPS系统的特异性。因此E3连接酶也是现在癌症靶向治疗的关键靶点。

最早发现的degron是一类存在于蛋白质的N末端的不稳定氨基酸序列，也就是N-degron。不同的N-degrons会被不同的E3连接酶所识别。董城博士之前揭示了E3连接酶GID4识别底物N末端脯氨酸（Pro/N-degron）的分子机制（Nat Chem Biol，2018；PNAS，2020）。最近研究发现底物N末端甘氨酸的降解信号（Gly/N-degron）是通过E3连接酶CRL2复合物中的ZYG11B或ZER1所识别并将其泛素化降解。ZYG11B和ZER1介导的Gly/N-degron通路在调控细胞中蛋白质稳态发挥着重要作用。如蛋白质N末端的甘氨酸通常会被豆蔻酰化以便完成精准的膜定位。Gly/N-degron通路会降解未被豆蔻酰化的蛋白从而对豆蔻酰化修饰过程进行质量监控。

此外，一些内肽酶比如caspase的切割也会暴露N末端甘氨酸，Gly/N-degron通路可以降解凋亡过程中的caspase酶解产物。更重要的是，这条通路通过降解肠病毒3C酶切割后的NLRP1自抑制片段从而激活人类NLRP1炎症小体，在病毒感染的免疫应答中发挥着重要作用。

最新这篇论文通过解析人源ZYG11B和ZER1与其特异识别的不同的Gly/N-degron的高分辨复合物晶体结构，揭示了ZYG11B和ZER1利用armadillo (ARM) repeats结构域形成一个深且狭窄的口袋来容纳Gly/N-degron的前四个氨基酸。而且这个酸性的结合口袋利用5个保守的氢键来识别并结合Gly/N-degron的N末端甘氨酸的α氨基。

图1. ZYG11B和ZER1结合不同Gly/N-degron复合物的晶体结构

在对底物序列偏好性方面的研究中发现，ZYG11B和ZER1主要识别Gly/N-degron的前三个氨基酸残基；并且识别的第二位残基都偏好芳香族侧链残基；而对于第三位残基，ZYG11B偏好大侧链疏水以及带负电的残基而ZER1不结合带电残基。

图2. ZYG11B和ZER1识别Gly/N-degron口袋的表面电势图

总体来说，ZYG11B严格识别Gly/N-degron的前两位氨基酸而ZER1则主要识别底物的前三位氨基酸。其次，在细胞内利用基于双荧光报告质粒的蛋白稳定性检测系统（GPS）证实了ZYG11B和ZER1的关键氨基酸在识别和降解Gly/N-degron的重要作用并对N-degron识别因子发挥功能的结构基础进行了深入的梳理和总结。

图3. ZYG11B和ZER1识别Gly/N-degron关键残基的突变分析

董城教授课题组的论文系统性地描绘了ZYG11B和ZER1选择性识别不同类别的Gly/N-degron的全新分子模型，为靶向ZYG11B和ZER1的小分子化合物筛选提供了结构基础。今年一月，董城教授课题组在Nat Chem Biol发表的论文“Molecular basis for ubiquitin ligase CRL2^FEM1C-mediated recognition of C-degron”揭示了FEM1C识别降解底物C末端精氨酸的分子机制。

这两篇文章阐述了两个新的E3连接酶识别底物的模型，为后续基于E3连接酶的PROTAC（靶向嵌合体）小分子的筛选和设计提供了理论基础。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.06.010