吴旭冬博士等揭示由Hrd1复合体介导的内质网相关蛋白质降解的机制

内质网是蛋白质合成和折叠的重要场所,在内质网中的蛋白质稳态由一套精细的质量控制系统调控。当新合成的蛋白质发生错误折叠时,它最终会被从内质网中逆向转运到细胞质,随后被多泛素化并降解,这是一种称为内质网相关蛋白降解(ERAD)的途径。ERAD减轻了蛋白质错误折叠引起的细胞毒性应激, 这一过程的失调与多种疾病有关。

在所有真核细胞中都发现了ERAD,但对于酿酒酵母中的ERAD-L途径最为了解,此途径可以处理内质网腔中错误折叠的糖蛋白。首先, 与这些蛋白质相连的聚糖被糖苷酶修饰从而产生末端α1,6-甘露糖残基,该糖基与未折叠的多肽片段一起将底物靶向Hrd1复合物,该复合物由E3泛素连接酶Hrd1和其他四个蛋白质(Hrd3、Der1、Usa1和Yos9)共同组成。其次,Hrd1复合物把底物逆向转运到细胞质中,在那里,底物会被多泛素化并由Cdc48腺苷三磷酸酶复合物从膜中提取出来,最后被蛋白酶体降解。对ERAD-L的机制仍知之甚少。可以说,最为神秘的一方面是错误折叠的蛋白质是如何逆向跨膜的,而这脂质膜通常会对大分子的跨越构成障碍。其次,如何识别ERAD-L底物并将其与正确折叠的中间体区分开还不清楚。

2020年4月24日,哈佛医学院Tom Rapoport实验室与合作者(第一作者为吴旭冬博士)Science杂志上以研究长文 (Research Article) 的形式发表了题为 Structural basis of ER-associated protein degradation mediated by the Hrd1 ubiquitin ligase complex的文章 。该论文使用冷冻电子显微镜(cryo-EM)解析了整个Hrd1复合体的三维结构。通过这些结构、体内交联和活性分析实验,以及大量的分子动力学模拟,作者揭示了Hrd1复合物如何招募蛋白质底物,并协助其逆向跨越内质网脂质膜的机理。本研究代表了内质网蛋白质质量控制领域的一个里程碑式成果。

文章报告了酿酒酵母中活性Hrd1复合物的结构,这是由两个亚复合物的冷冻电子显微镜分析组合而成的。首次,本研究通过生化数据和体内实验证明了Hrd1复合物在ERAD-L中以单体形式起作用。其中Hrd3和Yos9共同合作组成了一个识别错误折叠的糖蛋白的结合位点。α1,6-甘露糖残基可与Yos9的甘露糖6-磷酸同源性受体(MRH)结构域结合,聚糖附着位点下游的未折叠多肽片段可能位于Hrd3内质网腔侧的结构域的空腔中。Hrd1和类Rhomboid Der1通过Usa1在膜的细胞质侧相连接。Hrd1和Der1都具有一个可以调控底物进入的侧门并在膜内彼此面对;同时,Hrd1和Der1 各有一个亲水性凹槽,分别位于细胞质一侧和内质网腔一侧。这两种蛋白质都会扭曲位于侧门附近的脂质膜结构,使其比正常的磷脂双层更薄,这一发现进一步得到了分子动力学模拟的支持。结构和光交联实验表明,ERAD-L底物的逆向运输是从多肽环插入到扭曲的膜中开始的,在插膜的过程中,多肽环的一条链与Der1相互作用,另一条则与Hrd1相互作用。

本研究的结果展示了由Hrd1复合体介导的逆向运输的模型。负责跨膜运输的蛋白质通道由Der1和Hrd1这两个“半通道”组成。这两个“半通道” 的共同作用,可以降低两侧都亲水的多肽环跨膜所遇到的能阻。对经典的Sec61 通道而言,底物环的一侧疏水并在跨膜过程中进入脂质环境,而只有另一侧在完全亲水的蛋白质通道中穿过膜。这种全新的模型可以为理解其他蛋白质转运系统提供重要启示,并为将来设计标的降解技术(PROTAC) 提供重要理论基础。

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6489/eaaz2449
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