CRL3泛素连接酶如何动态调控底物降解？

蛋白质的泛素化修饰在真核细胞的生命进程中扮演核心角色。Cullin-RING E3泛素连接酶（CRLs）作为泛素-蛋白酶体系统（UPS）中的关键组成部分，是哺乳动物细胞内最大的E3酶家族，负责特异性识别、泛素化并降解底物蛋白，从而精密调控多种生理过程。CRL3作为其中一类重要亚型，特异性地利用BTB结构域蛋白作为底物适配子。人类基因组编码超过180种BTB蛋白，CRL3复合物广泛参与糖脂代谢、癌症发生、细胞周期及发育等重要生物学事件。然而，由于CRL3结构复杂，其分子架构与催化机制仍存在大量未知。

2024年2月8日，复旦大学生物医学研究院孙蕾研究员、陈振国研究员团队与美国德克萨斯大学西南医学中心Bruce Beutler院士合作，在《Nature Structural & Molecular Biology》上发表了题为“Dynamic molecular architecture and substrate recruitment of cullin3–RING E3 ligase CRL3KBTBD2”的研究论文。该研究以CRL3KBTBD2对p85α的特异性招募为模型，系统解析了该E3连接酶在催化循环中的动态结构变化与功能机制。

1. CRL3 KBTBD2如何调控胰岛素信号通路？

p85α是PI3Kα复合物的调节亚基，与催化亚基p110α共同调节胰岛素信号传导。KBTBD2作为新发现的p85α调控蛋白，在小鼠模型中其缺失会导致p85α累积，引发胰岛素信号紊乱，表现为发育迟缓、胰岛素抵抗、Ⅱ型糖尿病等表型，甚至导致死亡。研究表明，KBTBD2与CUL3及RBX1组装成CRL3 KBTBD3复合体，催化p85α的泛素化与降解，从而在代谢稳态中发挥关键作用。

2. CRL3 KBTBD2的催化循环涉及哪些动态结构状态？

本研究成功解析了CRL3 KBTBD2在多个功能状态下的高分辨率冷冻电镜结构，包括自组装、底物招募（与p85α结合）、活化（NEDD8修饰）、去活化（与CSN结合）及底物受体交换（与CAND1结合）等七种状态，构建了迄今为止最完整的CRL3催化循环模型。

值得注意的是，KBTBD2本身具有二聚化能力，使得CRL3 KBTBD2可形成四聚、六聚甚至八聚体的高级结构，其酶活中心在未结合底物时处于遮蔽状态。而在与p85α、NEDD8或CSN等因子结合后，复合体逐步解离为活性二聚体形式，暴露出底物结合及催化位点。

3.CRL3如何特异性识别并招募全长底物蛋白？

阐明CRLs家族对底物的识别机制一直面临巨大挑战。该研究首次系统性揭示了CRL3 KBTBD2与全长p85α蛋白的互作模式：KBTBD2通过其BTB-BACK与Kelch结构域协同作用，与p85α形成多界面结合，为底物识别提供高亲和力与特异性。该工作填补了CRLs招募全长底物的结构机制空白，为理解E3连接酶的底物选择性提供了新视角。

 4.该研究对泛素化系统研究有何重要意义？

本研究首次提出CRL3KBTBD2在催化循环中的动态构象变化模型，系统阐释了其通过结构重组实现底物招募与泛素化的机制。这不仅深化了对CRL3功能的理解，也为针对CRLs的药物开发提供了结构基础。

值得关注的是，同期《Nature Structural & Molecular Biology》推出了“泛素化”专题，发表了多篇相关研究及评论，反映出该领域在机制探索与临床应用方面的持续活跃与重要性。

结语

泛素-蛋白酶体系统在维持蛋白质稳态和细胞功能中发挥核心作用，其失调与多种重大疾病密切相关。目前，以该系统为靶点的药物研发已在肿瘤治疗中取得实质性进展，包括蛋白酶体抑制剂、去泛素化酶抑制剂和泛素化酶调节剂等多类化合物。未来研究将继续深化对该系统调控机制的理解，推动更具选择性和高效性的治疗策略的开发。

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