人源硫氧还蛋白样蛋白1(TXNL1)与蛋白酶体结合的结构基础及其在氧化应激诱导的泛素非依赖性降解中的作用机制

本研究揭示了人源硫氧还蛋白样蛋白1(TXNL1)通过其C端PITH结构域与蛋白酶体19S调节颗粒(PSMD1/Rpn2、PSMD4/Rpn10和PSMD14/Rpn11)的特异性相互作用机制。研究人员利用冷冻电镜技术解析了TXNL1-蛋白酶体复合物的3.0-3.3?高分辨率结构，发现TXNL1的H289残基直接协调PSMD14的催化锌离子。该研究阐明了金属/类金属氧化剂(如砷剂)诱导TXNL1发生泛素非依赖性降解的结构基础，为理解氧化应激条件下蛋白质质量控制提供了新视角。

　　

在真核细胞中，蛋白酶体作为主要的蛋白质降解机器，其功能调控机制一直是生命科学领域的研究热点。传统认知认为，蛋白酶体主要通过识别多聚泛素化标记来降解靶蛋白，但越来越多的证据表明存在泛素非依赖的降解途径。其中，硫氧还蛋白样蛋白1(TXNL1)作为一种保守的硫氧还原酶，与蛋白酶体存在稳定相互作用，但其分子机制和生理意义尚不清楚。更引人深思的是，临床用于治疗急性早幼粒细胞白血病的砷剂能够特异性诱导TXNL1降解，这一现象背后的结构基础亟待阐明。

哈佛医学院的研究团队通过冷冻电镜技术解析了TXNL1与蛋白酶体19S调节颗粒的复合物结构，分辨率达到3.0-3.3?。研究发现TXNL1通过其C端PITH结构域与PSMD1(Rpn2)、PSMD4(Rpn10)和PSMD14(Rpn11)形成多重相互作用：其R234残基与PSMD1的酸性区域产生静电作用；E136和D162与PSMD4的碱性界面结合；而C端尾部则插入PSMD14的疏水沟槽，其中组氨酸H289直接配位PSMD14活性中心的锌离子。这种独特的结合模式解释了为何砷剂等金属/类金属氧化剂能够触发TXNL1的泛素非依赖性降解——这些物质可能通过修饰TXNL1的硫氧还蛋白结构域，使其构象变化并启动AAA-ATP酶环的转运降解。

研究采用的主要技术方法包括：冷冻电镜解析TXNL1-蛋白酶体复合物结构；基因编辑构建TXNL1敲除细胞系；免疫共沉淀验证蛋白相互作用；定量质谱分析蛋白质组变化；以及RNA测序检测转录组响应。

Structure of the TXNL1-bound proteasome

通过冷冻电镜三维重构，研究人员发现TXNL1主要结合在19S调节颗粒的顶部，其PITH结构域(118-289位氨基酸)与多个蛋白酶体亚基形成广泛接触。有趣的是，在复合物结构中AAA-ATP酶环处于主动转运状态，可见转运底物的密度和清晰的核苷酸结合位点，表明TXNL1可能参与调控正在进行的蛋白降解过程。

TXNL1 interactions with proteasomal components

结构分析显示TXNL1通过多种作用力与蛋白酶体结合：静电相互作用(R234-PSMD1、E136/D162-PSMD4)、疏水作用(C端尾部-PSMD14)和金属配位(H289-PSMD14锌离子)。这些发现通过免疫共沉淀实验得到验证：破坏任一相互作用界面的突变体(TXNL1^R234D、TXNL1^D162R或C端截短突变)都显著减弱了与蛋白酶体的结合。特别值得注意的是，锌螯合剂1,10-菲啰啉能够抑制TXNL1与蛋白酶体的结合，证实了锌离子配位的关键作用。

Arsenite-induced TXNL1 degradation requires proteasomal contacts

研究人员发现砷剂处理可快速降低细胞内TXNL1水平，而蛋白酶体抑制剂MG132能阻断这一过程，但泛素活化酶抑制剂TAK-243则无效，证实这是泛素非依赖的降解途径。通过回补实验证明，只有野生型TXNL1能被砷剂诱导降解，而蛋白酶体结合缺陷突变体(TXNLI^D162R/R234D)和硫氧还蛋白活性缺失突变体(TXNLI^SxxS)则保持稳定。类似的，金制剂auranofin也能触发相同的降解途径，表明这是金属/类金属氧化剂的共同效应。

Implications

这项研究首次阐明了TXNL1与蛋白酶体相互作用的结构基础及其在氧化应激响应中的分子机制。TXNL1作为高丰度(>1μM)蛋白，其C端尾部对PSMD14活性中心的占据可能调控去泛素化过程，而N端硫氧还蛋白结构域则可能还原氧化损伤的底物蛋白，二者协同促进蛋白质降解。研究提出的"氧化诱导构象变化触发降解"模型为理解其他泛素非依赖性降解途径提供了新思路。鉴于TXNL1在多种癌症中的异常表达，这些发现也为开发针对蛋白酶体调控的新型抗癌策略提供了理论依据。

该研究的创新性在于：1)解析了TXNL1-蛋白酶体复合物的高分辨率结构；2)揭示了金属配位在蛋白降解中的新作用；3)发现了氧化应激与蛋白酶体活性的直接联系。未来研究可进一步探索TXNL1在特定细胞类型或病理条件下的底物特异性，以及其与临床砷剂治疗的关联性。