邵峰博士863课题再发《Cell》子刊文章 同期刊发评论文章

　　

生物通报道，据NIBS消息2009年9月24日，邵峰博士实验室在分子细胞《Molecular Cell》杂志上发表题为“Cullin Mediates Degradation of RhoA through Evolutionarily Conserved BTB Adaptors to Control Actin Cytoskeleton Structure and Cell Movement”的文章。该文章报道了一个特异性调节小G蛋白RhoA降解和细胞骨架及运动能力的新的泛素连接酶复合物。

 

这是继邵峰博士在PNAS上发表肺炎军团菌通过其四型分泌系统，胞注入一个新的能激活宿主中具有抗凋亡作用的NF-κB免疫炎症调节信号通路及其具体分子作用机制文章后，又一新的成果。

 

邵峰博士，其实验室主要研究兴趣是研究细菌病原体和宿主细胞相互作用过程中的生物化学机制。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，在北京生命科学研究所邵峰实验室完成。

 

博士研究生陈玥舟和杨桢霄为本文共同第一作者；其他参与此项工作的还有：赵越（研究生），董娜（研究生），闫洪铭（轮转学生）,柳丽萍（技术员）以及香港科技大学的H. Benjiaming Peng教授和蒙敏同学；邵峰博士为本文通讯作者。

 

泛素化修饰介导的蛋白酶体降解途径是真核生物中非常重要的蛋白质调节系统，能够维持真核细胞内的蛋白质水平的平衡，同时参与调节细胞周期进程，细胞的增值和分化，以及细胞内信号传导等多种细胞生理过程。在蛋白质泛素化修饰过程中，泛素连接酶负责特异性识别和招募底物蛋白分子。Cullin家族蛋白是一类介导泛素连接酶复合物组装的连接分子。作为Cullin家族成员之一，Cul3与具有BTB结构域的衔接蛋白组成泛素连接酶复合物，并结合特异性的底物，介导底物的泛素化。人类基因组编码近200个含有BTB结构域的蛋白，暗示着Cul3在体内具有广泛的底物，并可能发挥多种重要的作用。事实上，Cul3在拟南芥、线虫、果蝇以及小鼠等模式生物中的缺失或突变都将导致胚胎致死的表型，说明Cul3在真核生物中可能具有一种非常重要并且在进化上很保守的功能，并且这种功能应与其泛素连接酶活性相关。但目前人们对Cul3底物及其降解机制却知之甚少。

 

在这篇文章中，邵峰研究小组发现当Cul3的表达量在基因沉默的作用下减少时，培养的哺乳动物细胞出现明显的形态变化以及不正常的肌动蛋白细胞骨架，具体表现为细胞显著变大和强烈的应力纤维(stress fibers)结构。进一步的研究发现，这些变化是由于泛素介导的小G蛋白RhoA的降解出现障碍从而导致RhoA非正常的过度激活而引起的。在果蝇S2细胞中，通过基因沉默对所有含有BTB结构域蛋白筛选后，作者鉴定出一个全新的能够和Cul3相互作用，但功能未知的保守的BTB蛋白家族，并命名为BACURD。在哺乳动物细胞中，BACURD的基因沉默也能导致和Cul3类似的细胞骨架表型和RhoA蛋白水平的积累。进一步的生物化学的实验证明，BACURD连接分子能和Cul3，RhoA在细胞内和体外都能形成三元复合物，同时，体外重组的Cul3/BACURD复合物也对RhoA显示出很强的泛素连接酶活性。当Cul3/BACURD复合物功能紊乱时，人源和来自小鼠的细胞的运动迁移能力都会显著下降，这种下降正是由于细胞内过高的RhoA蛋白水平引起的。在动物水平，BACURD的缺失或功能被抑制也会导致爪蟾胚胎早期发育特别是和细胞迁移密切相关的原肠期汇聚延伸(Convergent extension)的发育过程发生异常，并且这种异常和RhoA水平不正常升高引起的表型是类似的。这些证据有力地说明，Cul3泛素连接酶复合物具有一个从果蝇到人类都保守的功能，即调节小G蛋白RhoA的降解以维持细胞内合适的RhoA蛋白水平，这种调节在维持细胞形态，控制细胞运动和早期胚胎发育中发挥着重要的作用。

 

这篇文章不仅鉴定了一类新的BTB结构域蛋白（BACURD），从而揭示了Cul3介导的泛素连接酶复合物的一个重要调节细胞骨架和运动的基本细胞生物学功能，也对小G蛋白RhoA降解和其功能的调节有了全新的认识。由于RhoA与肿瘤发生发展的各个方面均有联系，包括肿瘤的生长和增殖、侵袭和转移等，因此，Cul3/BACURD复合物对RhoA的蛋白水平的调节很有可能为我们进一步研究RhoA与肿瘤的发生之间联系提供重要的线索。事实上，最近的研究也有证据表明Cul3在乳腺癌细胞中有较高的表达水平。

 

鉴于这项工作的重要意义，Molecular Cell杂志也邀请了美国Burnham医学研究所的Dieter A. Wolf博士为该邵峰小组的文章刊发了专门的评论文章（Destruction of RhoA CULtivates Actin，Shuangding Wu，and Dieter A. Wolf，doi:10.1016/j.molcel.2009.09.012）。

 

生物通推荐原文检索

Cullin Mediates Degradation of RhoA through Evolutionarily Conserved BTB Adaptors to Control Actin Cytoskeleton Structure and Cell Movement

Yuezhou Chen1, 2, 5, Zhenxiao Yang2, 3, 5, Min Meng4, Yue Zhao2, Na Dong2, Hongming Yan2, Liping Liu2, Mingxiao Ding1, H. Benjamin Peng4 and Feng Shao2, , 

 

1 College of Life Science, Peking University, Beijing 100871, China

2 National Institute of Biological Sciences, Beijing 102206, China

3 Graduate School of Chinese Academy of Medical Sciences and Beijing Union Medical College, Beijing 100730, China

4 Department of Biology, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

Corresponding author

5 These authors contributed equally to this work

【Summary】

Cul3, a Cullin family scaffold protein, is thought to mediate the assembly of a large number of SCF (Skp1-Cullin1-F-box protein)-like ubiquitin ligase complexes through BTB domain substrate-recruiting adaptors. Cul3 controls early embryonic development in several genetic models through mechanisms not understood. Very few functional substrate/adaptor pairs for Cul3 ubiquitin ligases have been identified. Here, we show that Cul3 knockdown in human cells results in abnormal actin stress fibers and distorted cell morphology, owing to impaired ubiquitination and degradation of small GTPase RhoA. We identify a family of RhoA-binding BTB domain adaptors conserved from insects to mammals, designated BACURDs. BACURDs form ubiquitin ligase complexes, which selectively ubiquitinate RhoA, with Cul3. Dysfunction of the Cul3/BACURD complex decreases cell migration potential and impairs RhoA-mediated convergent extension movements during Xenopus gastrulation. Our studies reveal a previously unknown mechanism for controlling RhoA degradation and regulating RhoA function in various biological contexts, which involves a Cul3/BACURD ubiquitin ligase complex.

 

邵峰博士

北京生命科学研究所研究员

 

研究概述：

 

本实验室研究兴趣主要在于研究细菌病原体和宿主细胞相互作用过程中的生物化学机制，研究目标是希望能够发现病原体在抑制真核宿主细胞免疫信号系统中一些新的作用方式，以帮助我们理解相关病原菌的致病机理。实验室的一个研究方向是研究志贺氏痢疾杆菌是如何通过分泌各种效应分子进入真核宿主体内进而干扰宿主的免疫防御机制。从研究志贺氏痢疾杆菌致病的分子机制出发，实验室在最近的研究中发现并定义了一类广泛存在于多种细菌病原体(包括志贺氏痢疾杆菌)中新的磷酸化苏氨酸裂解酶。这种酶能够特异识别并不可逆地“去磷酸化”宿主的MAPK激酶。这种全新的酶学活性和共价修饰使得这些病原菌在感染后能够迅速和有效地抑制真核宿主的MAPK激酶介导的免疫信号通路。目前，实验室也在集中研究其它几个志贺氏痢疾杆菌效应分子的生化和生物学功能。实验室希望通过结合多种生物化学和细胞生物学的手段来研究并阐明这些效应分子是如何协同作用以及它们在志贺氏痢疾杆菌感染和致病过程中所扮演的角色。同时，本实验室对蛋白质泛素化及泛素降解通路在细胞周期，细胞增殖以及肿瘤形成过程的作用感兴趣。最近的研究结果表明一类含有BTB结构域的蛋白可能作为一种由CUL3组装的新的泛素E3连接酶复合物的特异性连接分子。目前的研究工作集中在验证这些新的BTB蛋白能够通过CUL3依赖性的泛素化通路调节细胞周期和细胞增殖并阐明其机制。后续的工作将进一步研究这些新的蛋白降解通路在某些肿瘤细胞增殖中所起的作用。