Science：重大突破！首次实现核蛋白非泛素化降解，midnolin蛋白横冲出世

泛素化作为蛋白翻译后修饰（PTM）的方式之一，不仅参与蛋白质的降解，在调节细胞功能方面也发挥着重要作用。真核细胞含有一种大分子蛋白酶被称为称为蛋白酶体（proteasome），可以降解泛素修饰和非泛素化修饰的蛋白质，但该过程是如何发生的仍然是个谜。

哈佛医学院Michael E. Greenberg和Stephen J. Elledge团队发现一种可诱导的、可定位在细胞核内的以促进非泛素化的转录调节因子的蛋白酶--midnolin蛋白（参见Schilling和Weber-Ban的观点）。Midnolin蛋白可以稳定地与蛋白酶体（proteasome）结合，并通过游离的β链结构域来“捕获”蛋白质底物以进行降解。因此，midnolin-蛋白酶体可以跳过经典的泛素化修饰，实现核蛋白的选择性降解

在哺乳动物中，即时早期基因 （IEG）介导 生长因子、神经元和免疫刺激的转录反应，这些基因编码 Fos、EGR 和 NR4A 家族的转录因子。IEG蛋白在几乎所有哺乳动物细胞中都会被激活，且促进迟发反应基因（LRG）的转录，而LRG具有细胞反应特异性，在对首次刺激的适应性反应中至关重要。

IEG的表达与癌症，免疫缺陷和神经系统疾病等的发生有密切联系。IEG mRNA在接受首次刺激后几分钟内立即转录，其翻译后的蛋白会迅速降解，从而出现蛋白质瞬时爆发式表达的异常现象。尽管调控IEG转录的机制得到了很好的表征，但IEG蛋白如何被迅速降解的机制多年来一直是个谜。

既往发表的文献中有零星证据表明，有时蛋白酶体在没有泛素标签的帮助下降解蛋白质；所以科学家怀疑存在另一种不依赖于泛素的蛋白质降解机制，但之前没有人知道这是如何发生的。

2023年8月25日发表于Science的一项工作中，哈佛医学院的研究者首次发表，Midnolin-proteasome途径可以绕过传统的泛素化系统，实现核蛋白选择性快速降解；并由此解释了立即早期基因的蛋白的调控，具有非常广泛的临床应用前景。

Gu博士以EGR1和FosB这两个转录因子作为研究对象，通过CRISPR-Cas9技术在全基因组层面展开大规模筛选，寻找影响二者降解的关键基因。

结果影响两个转录因子降解的头号基因都是MIDN，它在哺乳动物体内编码一种名为midnolin的蛋白质。后续的基因敲除和过表达实验，证实了midnolin是影响EGR1和FosB降解的关键。更重要的是，除了二者之外，还有多个转录因子的降解也受midnolin的影响。

值得注意的是，Gu博士还发现，神经系统中midnolin的表达受各种刺激的诱导，并可能通过反馈机制促进“短命”蛋白在相关生理条件下的降解（简单来说，在受到外界刺激之后，那些“短命”蛋白迅速合成发挥作用，然后被同时合成的midnolin降解，以免产生不良影响）。

人体内可能有508种蛋白的降解受midnolin的影响。这说明，midnolin调控的蛋白降解绝不是偶然。

可能受影响的蛋白数量

midnolin究竟是如何调节蛋白降解的呢？

初步分析显示，midnolin可以直接与蛋白酶体相互作用，抑制泛素化酶的活性不影响midnolin调节的蛋白降解（即使突变掉“短命”蛋白的泛素化位点也不影响），但是蛋白酶体抑制剂会强烈抑制midnolin调节的蛋白降解。这意味着，midnolin调节蛋白的降解确实不需要泛素化，而依赖于蛋白酶体。

随后，Gu博士用AlphaFold预测了midnolin的结构，发现它主要由三部分组成：N端有一个泛素样结构域（Ubl）；C端有一个长α螺旋，称为αHelix-C，其中还有个核定位序列（NLS）；二者之间夹着一个折叠的像双手一样的“捕捉”结构域。

从机制上来看，midnolin会用“捕捉”结构域的那双“小手”，紧紧抓住目标蛋白中的一条β链，直接将目标蛋白扔进蛋白酶体。Gu博士还用AlphaFold预测了508种蛋白中的β链，发现其中至少40%能被midnolin“捕捉”。如果删除那些蛋白的对应β链，midnolin的降解能力就会被削弱。

机制示意图

总的来说，Greenberg和Elledge团队的这项研究发现了一个重要蛋白midnolin，并证明它就是“短命”蛋白不依赖于泛素降解的关键调节酶；而由midnolin和蛋白酶体组成的蛋白降解系统，绕过了泛素化，是一种更简单的蛋白降解途径。

本文的第一作者Xin Gu认为，Midnolin-proteasome途径可能代表了蛋白酶体绕过传统泛素化系统，实现核蛋白选择性降解的机制。

对于立项依据，Gu说：“这些特殊的短寿命蛋白质已经为人所知 40 多年，但没有人确定它们实际上是如何降解的，一开始让我震惊的是，这些蛋白质非常不稳定，而且半衰期很短--一旦产生，它们就会发挥作用，然后很快被降解，我们正在积极探索的领域之一是如何调整机制的特异性，使其能够特异性降解感兴趣的蛋白质。”

这项研究最令人兴奋的方面是，我们现在了解了一种新的、通用的、与泛素化无关的降解蛋白质的机制。”领导该研究的Stephen Elledge教授说道。

在底物中，midnolin蛋白识别相对简并的两亲性区域，有可能形成β链，因此，midnolin可能是许多蛋白质的常见结构成分。midnolin-蛋白酶体途径如何通过不同细胞类型的各种线索调控以控制转录程序将是未来探索的重要课题。

事实上，此前研究也发现Midnolin对肝癌细胞增殖具有调控作用。

原始出处：

Gu X, Nardone C, Kamitaki N, Mao A, Elledge SJ, Greenberg ME.The midnolin-proteasome pathway catches proteins for ubiquitination-independent degradation. Science. 2023 Aug 25;381(6660):eadh5021. doi: 10.1126/science.adh5021

Kweon SM, Kim G, Jeong Y, Huang W, Lee JS, Lai KKY.Midnolin Regulates Liver Cancer Cell Growth In Vitro and In Vivo.Cancers (Basel). 2022 Mar 10;14(6):1421. doi: 10.3390/cancers14061421.