生物物理所發現分泌途徑磷酸化調控內質網氧化還原穩態的新功能

2021-01-08 中國科學院

　　6月1日，EMBO Journal 雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所王志珍課題組的研究論文：Secretory kinase Fam20C tunes endoplasmic reticulum redox state via phosphorylation of Ero1a。該研究發現分泌途徑激酶Fam20C可通過磷酸化內質網巰基氧化酶Ero1a來調控內質網的氧化還原穩態，首次建立了蛋白質的磷酸化修飾與氧化摺疊之間的聯繫；為內質網等分泌途徑細胞器的環境和功能的調控提供了新的機制；揭示了蛋白質磷酸化修飾新的生物學功能。

　　人基因組編碼的蛋白中約有30%是磷酸化蛋白。作為重要的翻譯後修飾，蛋白磷酸化調節細胞生命活動的幾乎所有方面。自1883年首個磷酸化蛋白酪蛋白被報導以來，有關磷酸化的研究主要集中在細胞質和細胞核中，直到2012年才發現第一個分泌途徑中的蛋白激酶Fam20C，正是催化酪蛋白磷酸化的激酶。Fam20C能夠催化100多種分泌到胞外的蛋白的磷酸化，其功能缺陷與骨發育不良疾病雷恩綜合症密切相關。然而，Fam20C對內質網等分泌途徑細胞器功能的研究幾乎是空白。

　　王志珍課題組長期研究內質網中蛋白質二硫鍵形成及氧化還原穩態維持的機制。該研究首先通過相互作用蛋白組學方法發現Fam20C和349個定位於內質網和高爾基體的蛋白質有相互作用，蛋白質摺疊通路的許多關鍵酶被高度富集。利用定位在內質網的氧化還原敏感的螢光蛋白探針（superfolded-roGFP-iEER）觀察到Fam20C基因敲除的細胞內質網處於更加還原的狀態。進一步研究發現，真核細胞內質網中負責催化二硫鍵形成最關鍵的巰基氧化酶Ero1a的145位絲氨酸可發生磷酸化修飾，並鑑定其激酶就是Fam20C。磷酸化的Ero1a在體內和體外均表現更高的氧化酶活力，這是一種與已知的調控二硫鍵「開關」完全不同的調節Ero1a酶活力的方式。研究人員還發現，Fam20C是在高爾基體中催化Ero1a磷酸化，磷酸化的Ero1a被分子伴侶ERp44以巰基滯留的方式返回內質網中執行功能。這也回答了為什麼在內質網發揮功能的Ero1a卻沒有內質網滯留序列這個長期沒有回答的問題。有趣的是，在低氧脅迫、還原應激以及分泌蛋白合成旺盛的哺乳期小鼠乳腺組織中，Ero1a的磷酸化水平均顯著上調，從生理和整體水平上揭示了Ero1a磷酸化與內質網蛋白質氧化摺疊的緊密聯繫。

　　王志珍課題組副研究員王磊為論文的通訊作者，王志珍課題組博士生張建超為論文的第一作者。北京大學肖俊宇課題組參與了該研究。生物物理所科學研究平臺為該工作提供了大力支持。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等項目的資助。

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Fam20C調控內質網氧化還原穩態和蛋白質氧化摺疊的示意圖

　　6月1日，EMBO Journal 雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所王志珍課題組的研究論文：Secretory kinase Fam20C tunes endoplasmic reticulum redox state via phosphorylation of Ero1a。該研究發現分泌途徑激酶Fam20C可通過磷酸化內質網巰基氧化酶Ero1a來調控內質網的氧化還原穩態，首次建立了蛋白質的磷酸化修飾與氧化摺疊之間的聯繫；為內質網等分泌途徑細胞器的環境和功能的調控提供了新的機制；揭示了蛋白質磷酸化修飾新的生物學功能。
　　人基因組編碼的蛋白中約有30%是磷酸化蛋白。作為重要的翻譯後修飾，蛋白磷酸化調節細胞生命活動的幾乎所有方面。自1883年首個磷酸化蛋白酪蛋白被報導以來，有關磷酸化的研究主要集中在細胞質和細胞核中，直到2012年才發現第一個分泌途徑中的蛋白激酶Fam20C，正是催化酪蛋白磷酸化的激酶。Fam20C能夠催化100多種分泌到胞外的蛋白的磷酸化，其功能缺陷與骨發育不良疾病雷恩綜合症密切相關。然而，Fam20C對內質網等分泌途徑細胞器功能的研究幾乎是空白。
　　王志珍課題組長期研究內質網中蛋白質二硫鍵形成及氧化還原穩態維持的機制。該研究首先通過相互作用蛋白組學方法發現Fam20C和349個定位於內質網和高爾基體的蛋白質有相互作用，蛋白質摺疊通路的許多關鍵酶被高度富集。利用定位在內質網的氧化還原敏感的螢光蛋白探針（superfolded-roGFP-iEER）觀察到Fam20C基因敲除的細胞內質網處於更加還原的狀態。進一步研究發現，真核細胞內質網中負責催化二硫鍵形成最關鍵的巰基氧化酶Ero1a的145位絲氨酸可發生磷酸化修飾，並鑑定其激酶就是Fam20C。磷酸化的Ero1a在體內和體外均表現更高的氧化酶活力，這是一種與已知的調控二硫鍵「開關」完全不同的調節Ero1a酶活力的方式。研究人員還發現，Fam20C是在高爾基體中催化Ero1a磷酸化，磷酸化的Ero1a被分子伴侶ERp44以巰基滯留的方式返回內質網中執行功能。這也回答了為什麼在內質網發揮功能的Ero1a卻沒有內質網滯留序列這個長期沒有回答的問題。有趣的是，在低氧脅迫、還原應激以及分泌蛋白合成旺盛的哺乳期小鼠乳腺組織中，Ero1a的磷酸化水平均顯著上調，從生理和整體水平上揭示了Ero1a磷酸化與內質網蛋白質氧化摺疊的緊密聯繫。
　　王志珍課題組副研究員王磊為論文的通訊作者，王志珍課題組博士生張建超為論文的第一作者。北京大學肖俊宇課題組參與了該研究。生物物理所科學研究平臺為該工作提供了大力支持。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等項目的資助。
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Fam20C調控內質網氧化還原穩態和蛋白質氧化摺疊的示意圖

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