图1. Ubr1催化泛素化起始和延伸的机理模型图。

泛素化是真核生物中广泛存在的翻译后修饰之一，调控了几乎所有细胞过程。泛素化修饰的酶学系统中，泛素连接酶（E3酶）具有严格的底物识别和泛素链生成特异性，在泛素化生成过程中扮演了最关键的角色。人的基因组中一共编码了超过600余种E3酶，其中一些被证明是多种疾病治疗的重要靶点。另一方面，E3酶依赖的蛋白水解靶向嵌合体技术（PROTAC）的发展，又为药物诊疗技术带来了新变革。因此，理解各种E3酶的底物特异性和催化机制成为泛素领域的热点问题。

Ubr1是一种从酵母到人类保守的单链E3酶，其介导的N端降解通路（N-degron pathway）是历史上第一个被发现的泛素降解过程（1989年）。Ubr1可以识别含有N端降解子（Arg/N-degron）的底物，并对其进行K48链型特异的快速多聚泛素化修饰，最终促使底物被蛋白酶体降解。尽管被发现了三十多年，Ubr1如何通过单个泛素交联酶（E2酶）Ubc2来实现底物泛素化的起始和K48链型泛素链的延伸仍然未知。研究的瓶颈主要在于E3酶介导的酶促级联反应是个瞬时、动态的过程，因此难以捕获到稳定的中间体来建立相关酶学反应的原子分辨率模型。

在这项研究中，作者们采取“化学捕获”策略，利用蛋白质化学合成技术分别获取了Ubr1催化的第一步和第二步泛素转移反应的中间体模拟物，并使用这些模拟物分别捕获了Ubr1在介导底物蛋白的泛素化起始和K48泛素链延伸时的构象，最终解析了相关酶促步骤的高分辨冷冻电镜结构。

图2. “化学捕获”策略获取特定泛素E3酶的催化构象。

通过结构分析和体外生化研究，作者们发现并鉴定了Ubr1催化泛素化反应的关键结构元件，包括底物结合元件Ubr-Box1及Ubr-Box2，Ubc2招募元件U2BR（Ubc2-binding region）和受体泛素结合元件（Ub-binding loop），这些元件的表征使我们进一步理解了泛素E3酶介导的底物蛋白多聚泛素化的反应机制。

图3. a.起始构象复合物结构。b.延伸构象复合物结构。

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。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04097-8

赵明磊教授课题组专注于解析生物大分子机器的功能机制及其在人类疾病中的作用，目前主要研究p97/泛素化系统和Vault系统。p97是细胞蛋白质动态平衡的中心枢纽，与多种神经退行性疾病有关，也是癌症药物的重要靶标。Vault是包括人类在内的真核生物中最大的核糖核蛋白复合物，是一类无膜细胞器，其分子层面的功能至今仍然难以捉摸。课题组致力于使用X射线晶体学和冷冻电子显微镜技术解析这些蛋白质机器的功能状态和运作机制。现在团队中经费充足，并有多个博后职位空缺，欢迎志同道合者加盟。

刘磊教授课题组研究蛋白质化学合成。课题组发展了蛋白酰肼连接反应，建立了蛋白质化学合成新方法体系，成功合成了大批难以生物重组制备的蛋白质，如翻译后修饰蛋白、蛋白药物、蛋白材料、镜像蛋白等，实现了超越500氨基酸蛋白质化学合成，50kD以下的蛋白已可在毫克量级、结晶纯度被高效制备。在此基础上，课题组进行了翻译后修饰蛋白（特别是泛素化蛋白）的生化机制与生理功能研究，并发展药用蛋白、镜像蛋白、及人工蛋白质材料。

潘漫博士于2021年10月加入上海交通大学转化医学研究院开展独立研究。课题组以蛋白质化学合成技术和单颗粒冷冻电镜技术为基础，进行翻译后修饰相关蛋白质机器的功能机制与化学调控研究。具体研究目标包括新型翻译后修饰蛋白探针的开发，翻译后修饰相关蛋白机器的功能机制解析，以及相关蛋白机器的化学调控分子开发。现在团队处于组建过程中，经费充足，欢迎志同道合者加盟。