26S蛋白酶体去泛素化酶Rpn11作为变构泛素传感器促进底物降解的分子机制研究

这篇研究揭示了26S蛋白酶体（26S proteasome）中Rpn11去泛素化酶的全新功能机制。通过单分子FRET和生化实验证明，Rpn11不仅能催化底物去泛素化，还能作为变构传感器（allosteric sensor）识别泛素链（Ubiquitin），通过稳定蛋白酶体的s1构象状态（engagement-competent state），促进ATP酶马达（AAA+ motor）对底物的捕获，使泛素化底物的降解效率提升高达4倍。该发现为理解蛋白质质量控制（protein quality control）系统提供了重要理论突破。

　　

26S蛋白酶体的变构调控新机制

Highlights
• 泛素结合显著减缓26S蛋白酶体的自发构象转换
• Rpn11去泛素化酶亚基发挥变构泛素传感器功能
• Rpn11-泛素相互作用促进底物降解的起始阶段
• 泛素标记底物因此获得更快更高效的降解效率

Summary
作为真核细胞主要的区室化蛋白酶，26S蛋白酶体通过ATP依赖性途径降解泛素标记的异常蛋白。最新研究发现，泛素不仅能靶向底物至蛋白酶体，还能通过调控蛋白酶体构象转换促进降解起始。本研究综合运用生化、突变和单分子荧光共振能量转移（FRET）技术，揭示了蛋白酶体去泛素化酶Rpn11的双重功能机制。

Introduction
26S蛋白酶体由20S核心颗粒和19S调节颗粒组成，后者包含泛素受体（Rpn1、Rpn10、Rpn13）和AAA+ATP酶马达（Rpt1-Rpt6）。底物通过两个关键信号被识别：泛素标记和足够长度的非结构化起始区域。蛋白酶体在底物游离状态下主要存在两种构象：底物捕获能力强的s1状态和加工能力强的non-s1状态，两者处于动态平衡。

Results

Rpn10的泛素相互作用模体贡献变构传感
通过构建泛素受体突变体（Rpn10-ΔUIM、Rpn1-ARR、Rpn13-Pru），发现Rpn10的UIM缺失几乎完全消除了K48-Ub₄链对底物降解的促进作用。单分子FRET显示，Rpn10-UIM是泛素链减缓s1-to-non-s1构象转换速率（从1.45降至0.45 s^-1）的关键因素。

Rpn10与Rpt5的相互作用调控构象动力学
冷冻电镜结构显示，在s1状态下，泛素同时结合Rpn11和Rpt5卷曲螺旋，竞争性干扰non-s1状态下Rpn10的VWA结构域与Rpt5的相互作用。Rpn10^EKK突变体（R23E/D31K/E68K）使s1-to-non-s1转换速率降低40%，模拟了泛素的变构效应。

Rpn11的泛素结合促进底物捕获
通过引入增强泛素亲和力的Rpn11 A89F突变，在缺乏功能性泛素受体的蛋白酶体（ARR-Pru-ΔUIM）中恢复了泛素链的促进作用。单分子底物加工实验显示，该突变使底物捕获成功率从3.7%提升至7.8%，尾部插入时间从1.64s缩短至1.39s。

Discussion
研究提出了全新的"双阶段"模型：在底物招募阶段，Rpn11通过其插入1环（insert-1 loop）的抑制构象暂缓去泛素化活性，同时作为变构传感器与泛素-Rpt5形成稳定复合物，延长s1状态持续时间；在加工阶段，ATP酶马达的机械拉力触发Rpn11构象转换，实现协同转运去泛素化。该机制解释了为何多泛素链或多次单泛素化都能变构促进底物降解。

这一发现为优化靶向蛋白降解技术（如PROTACs）提供了新思路，通过调控泛素标记位置和递送几何形状，可能显著提高降解效率。未来研究将聚焦不同E3泛素连接酶和穿梭受体在调控这一过程中的精确作用。