UbKEKS的NMR结构及其基于NMR的分子骨架动力学研究：这是一种编码在UBB4假基因中的泛素变体，具有新兴的特异性和新功能

《Biochemistry and Cell Biology》：Solution NMR structure and NMR-based molecular backbone dynamics of UbKEKS: a ubiquitin variant encoded in the UBB4 pseudogene with emerging specific and new functions

泛素变体UbKEKS通过NMR和15N弛豫实验显示其保留了β-螺旋-Grasp结构，但Q2K和K33E substitutions显著增强α1-C末端、β1-β2环及β5区域的构象动力学，导致pincer模式转向I44界面结合，影响泛素连接酶识别。Q49K和N60S substitutions削弱了与蛋白酶体受体S5a的相互作用，解释其无法形成K48链并介导蛋白酶体降解。

　　在生物化学领域，蛋白质的修饰方式是细胞调控多种功能的重要机制之一。其中，泛素化（ubiquitylation）作为一种高度保守的翻译后修饰，不仅参与蛋白质的降解过程，还影响其定位、相互作用及其他功能特性。泛素（ubiquitin, Ub）作为一种小分子蛋白质，其结构和动态特性决定了它如何与靶蛋白结合，以及如何通过不同的连接方式（如K48链）来招募蛋白酶体进行降解。然而，随着研究的深入，科学家们发现了一些泛素变体，这些变体并非由常规的基因编码，而是来源于假基因（pseudogenes）。这些变体的出现为理解泛素功能的多样性及其在细胞调控中的潜在作用提供了新的视角。

以Ub^KEKS为例，这是一种由UBB4基因编码的泛素变体，其与常规泛素相比具有四个氨基酸的替换：Q2K、K33E、Q49K和N60S。这些替换不仅改变了Ub^KEKS的结构特性，还对其动态行为产生了深远的影响，进而导致其功能特性与常规泛素存在显著差异。常规泛素主要通过K48链与蛋白酶体结合，从而标记靶蛋白进行降解。然而，Ub^KEKS却未能通过K48链参与这一过程，反而表现出不同的修饰行为，例如与细胞骨架蛋白如层蛋白（lamins）的结合。这一发现不仅揭示了泛素变体在生物学功能上的独特性，还提示了它们可能在细胞内发挥其他非降解性功能。

为了揭示Ub^KEKS与常规泛素在结构和动态上的差异，研究者通过核磁共振（NMR）技术解析了Ub^KEKS的溶液结构，并利用¹⁵N-弛豫实验分析了其骨架的动态行为。结果显示，尽管Ub^KEKS整体保留了泛素的经典“β夹”（beta-grasp）折叠结构，但其在某些关键区域的结构变化和动态行为却更为显著。这些区域包括α1螺旋的C端、β1-β2环以及β5区域，这些区域是泛素“钳夹模式”（pincer mode）的核心调控部位。钳夹模式是一种构象切换机制，决定了泛素连接酶（UIMs）是通过常规的I44界面还是α1-β3边缘与泛素结合。研究发现，Q2K和K33E这两个替换对这些区域的动态行为产生了显著影响，使得它们在快速（ps–ns）和慢速（μs–ms）时间尺度上的运动幅度增大。这种动态增强可能影响了泛素与UIMs的结合特异性，从而导致Ub^KEKS无法通过K48链招募蛋白酶体进行降解。

此外，Q49K和N60S这两个替换虽然不直接参与钳夹模式的调控，但它们的位置接近I44，这可能影响了泛素与连接酶的相互作用。特别是Q49K的正电荷侧链，可能对泛素与E2连接酶的结合产生了不利的静电效应，从而阻碍了K48链的形成。这种影响可能进一步导致Ub^KEKS无法与蛋白酶体受体S5a结合，因此不能通过K48链标记靶蛋白进行降解。这一发现为理解泛素变体在细胞内的功能多样性提供了重要线索。

在研究中，通过NMR实验，科学家们观察到Ub^KEKS的β1-β2环在某些构象中表现出向下的移动趋势，而这种移动在常规泛素中则可能更倾向于向上。这种构象变化可能与泛素变体的动态行为有关，并可能影响其与不同靶蛋白的结合能力。例如，β1-β2环的向下移动可能更有利于与常规的I44界面结合，而其向上移动则可能促进与α1-β3边缘的相互作用。这种动态变化可能为Ub^KEKS在细胞内与其他蛋白的相互作用提供了结构基础。

进一步的分子动力学模拟和结构分析表明，Ub^KEKS的某些动态行为可能与特定的构象交换有关。例如，在K33E替换的影响下，β1-β2环和C末端的α1螺旋表现出更频繁的构象变化，这种变化可能在快速和慢速时间尺度上同时发生。这种动态行为的增强可能改变了泛素与其他蛋白的相互作用方式，使得其无法通过K48链招募蛋白酶体进行降解。相反，它可能通过其他方式与靶蛋白结合，从而发挥不同的生物学功能。

此外，研究还发现，Ub^KEKS的某些动态特性可能与其在不同物种中的保守性有关。例如，Ub^KEKS在哺乳动物和啮齿类动物中均存在，这表明其可能在进化过程中被选择保留，以适应特定的细胞调控需求。这种保守性可能意味着Ub^KEKS在某些生物过程中具有重要的功能，例如在细胞应激反应、细胞骨架调控或细胞信号传导中发挥作用。

综上所述，这项研究揭示了Ub^KEKS在结构和动态上的独特性，以及这些特性如何影响其功能。通过解析其NMR结构和动态行为，科学家们不仅理解了Ub^KEKS无法通过K48链参与降解的原因，还发现了其可能参与其他类型的蛋白修饰和调控。这些发现为泛素变体的研究提供了新的方向，并可能对理解细胞内蛋白修饰的多样性及其在不同生物过程中的作用具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨这些变体在不同细胞环境中的具体功能，以及它们如何与细胞内的其他调控机制相互作用。