NIBS饶枫研究组《PNAS》解析泛素链接酶作用新机制

北京生命科学研究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。

　　

2016年3月15日，北京生命科学研究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。

原文摘要：

Inositol hexakisphosphate (IP6) generated by IP5K mediates cullin-COP9 signalosome interactions and CRL function

The family of cullin-RING E3 Ligases (CRLs) and the constitutive photomorphogenesis 9 (COP9) signalosome (CSN) form dynamic complexes that mediate ubiquitylation of 20% of the proteome, yet regulation of their assembly/disassembly remains poorly understood. Inositol polyphosphates are highly conserved signaling molecules implicated in diverse cellular processes. We now report that inositol hexakisphosphate (IP6) is a major physiologic determinant of the CRL–CSN interface, which includes a hitherto unidentified electrostatic interaction between the N-terminal acidic tail of CSN subunit 2 (CSN2) and a conserved basic canyon on cullins. IP6, with an EC50 of 20 nM, acts as an intermolecular “glue,” increasing cullin–CSN2 binding affinity by 30-fold, thereby promoting assembly of the inactive CRL–CSN complexes. The IP6 synthase, Ins(1,3,4,5,6)P5 2-kinase (IPPK/IP5K) binds to cullins. Depleting IP5K increases the percentage of neddylated, active Cul1 and Cul4A, and decreases levels of the Cul1/4A substrates p27 and p21. Besides dysregulating CRL-mediated cell proliferation and UV-induced apoptosis, IP5K depletion potentiates by 28-fold the cytotoxic effect of the neddylation inhibitor MLN4924. Thus, IP5K and IP6 are evolutionarily conserved components of the CRL–CSN system and are potential targets for cancer therapy in conjunction with MLN4924.