饶枫实验室发现六磷酸肌醇调控Cullin E3泛素链接酶的作用机制

2016年3月15日，我所饶枫实验室与约翰霍普金斯大学Snyder实验室合作在《PNAS》杂志上在线发表题为“Inositol hexakisphosphate (IP6) generated by IP5K mediates Cullin-COP9 signalosome interactions and CRL function”的研究论文。该论文报道了体内小分子六磷酸肌醇衔接Cullin E3泛素链接酶及其抑制剂COP9信号复合体的功能。

Cullin家族的E3泛素连接酶介导百分之二十体内蛋白底物的泛素化，对蛋白质组的平衡起不可或缺的作用。通过这些泛素化底物，Cullins调控细胞增殖/凋亡和DNA 修复，从而促进肿瘤的发生发展，是新兴的肿瘤研发靶向 （Nat Rev Drug Discov 2014 13, 889-）。为避免无用甚至有害的泛素化，Cullins的酶活需要被严密的调控。COP9信号复合体和Cullins相互作用，并通过去类泛素化修饰Neddylation抑制Cullins。然而，敲除或沉默COP9信号复合体并没有导致Cullin酶活升高。相反，Cullins的功能需要COP9信号复合体的配合。所以，体内应当存在一个让COP9信号复合体和Cullin在适当信号条件下分离和重新结合的机制。找到这个分子开关对研究Cullin的激活机制至关重要，也是一个困扰领域十多年的难题 （Nat Cell Biol 2003 5, 1029）。

为了找到这个分子开关，饶枫实验室首先在体外纯化并表征了COP9和Cullins的相互作用原理，发现COP9信号复合体第二亚基 (CSN2)的N-端富含酸性氨基酸残基，和Cullin C-端的一个碱性结构域产生静电相互作用。根据这个发现，研究人员假设了带强负电的六磷酸肌醇会和CSN2竞争，却意外的发现纳摩尔浓度的六磷酸肌醇就可使CSN2和Cullin的作用力增强30倍。进一步的研究显示细胞内合成六磷酸肌醇的五磷酸肌醇激酶和Cullins互作，局部产生六磷酸肌醇来衔接Cullin和COP9信号复合体。相应地，在五磷酸肌醇激酶敲低的细胞里,Cullin的Neddylation修饰比例上升，Cullin被异常激活，从而导致细胞增殖缓慢，并对紫外和Neddylation抑制剂都异常敏感。这些实验结果证明六磷酸肌醇是Cullin-COP9复合物分子间的“胶水”，并为五磷酸肌醇激酶作为抗肿瘤联合治疗的靶向提供理论依据。不仅如此，六磷酸肌醇激酶进一步把六磷酸肌醇催化为焦（七）磷酸肌醇，从而分离Cullin和COP9信号复合体。所以，多磷酸肌醇分子的动态转换是COP9信号复合体和Cullin分离和重新结合的分子开关。这一发现为研究控制Cullin酶活的上游/胞外信号提供新思路。

饶枫实验室科研助理丁彦和刘智清为本文共同第一作者和第二作者；饶枫博士与Snyder博士为本文的共同通讯作者。其它作者包括霍普金斯大学的博士生Paul Scherer(共同第一作者),Jing Xu和James Barrow博士；华盛顿大学的Haibin Mao 和 Ning Zheng博士,以及耶鲁大学的Ning Wei博士。此项研究工作受到科技部973计划和北京市科委的资助。

http://www.pnas.org/content/early/2016/03/11/1525580113