揭示蛋白酶體在遭受應激時的相分離機制

蛋白酶體是一種主要的蛋白水解機器，通過選擇性地降解泛素化蛋白來調節細胞中的蛋白穩態（proteostasis）。鑒于蛋白穩態的維持對人類健康至關重要，泛素-蛋白酶體系統（UPS）的失靈會導致癌癥、炎癥和神經變性等各種疾病。然而，人們迄今為止并不知道UPS背后的整體原理。在一項新的研究中，來自日本東京都醫學科學研究所等研究機構的研究人員發現了UPS在應激狀態下的蛋白降解新機制。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“Stress- and ubiquitylation-dependent phase separation of the proteasome”。

論文共同通訊作者Yasushi Saeki博士說，“大約在2013年，我們發現蛋白酶體在高滲刺激（hyperosmotic stimuli）下形成細胞核聚集點（nuclear foci）。這是非常令人印象深刻的，因為均勻分布的蛋白酶體在短短幾秒鐘內就形成了細胞核聚集點，但是在我們知道液-液相分離（LLPS）之前，我們還需要時間來理解這一現象的含義。LLPS是細胞中的一種快速、可逆、廣泛分布的區室化機制。蛋白酶體的細胞核聚集點實際上表現出了類似液體的行為，而且一系列的實驗表明，蛋白酶體的LLPS是用于降解泛素化蛋白。”

高滲應激誘導的蛋白酶體液滴是一種瞬時結構，在蔗糖處理后幾小時內消失。這些蛋白酶體液滴還含有泛素化底物和多種蛋白酶體相互作用蛋白。蛋白酶體液滴的形成依賴于蛋白的泛素化，而這些蛋白液滴的消失取決于蛋白酶體的活性，這就表明蛋白酶體液滴促進了蛋白降解。急性高滲應激會導致細胞體積減少和核仁應激，從而使得核糖體生物合成遭遇失敗，以及作為主要UPS底物的孤兒核糖體蛋白在核質中的積累。確實，高滲應激會誘導核糖體蛋白泛素化，并在蛋白酶體液滴中降解。因此，泛素化蛋白水平升高會觸發蛋白酶體液滴的形成。

Saeki博士和他的同事們進一步研究了蛋白酶體如何被招募到這個液態的細胞亞區室。他們鑒定出蛋白酶體的底物穿梭因子RAD23B是誘導泛素化蛋白以及蛋白酶體發生液-液相分離（LLPS）的關鍵分子。RAD23B具有兩個典型的泛素結合結構域（UBA）和一個蛋白酶體結合結構域（UBL）。他們在體外成功地重組了含有RAD23B和泛素的液滴，并表明RAD23B的UBA結構域和較長的聚泛素鏈之間的弱多價相互作用驅動了同相分離（co-phase separation）。由此可見，RAD23B通過UBA結構域收集細胞泛素化蛋白從而形成液滴，然后通過UBL結構域招募蛋白酶體。

Saeki博士說，“這項研究很好地說明了泛素信號轉導與LLPS之間的相互作用。考慮到泛素主要是作為一種聚合物體發揮作用，這種泛素聚合物的生物學意義之一可能在于LLPS。研究其他泛素結合蛋白是否經歷相分離將是非常有趣的。另外，有人認為，易聚集的蛋白會從液態液滴轉化為固態聚集物。在這種情況下，急性高滲應激可能會導致蛋白聚集物的不可逆積累，特別是當蛋白酶體活性降低時。”