内质网质量控制系统决定膜蛋白新生肽链折叠或降解的机制

The endoplasmic reticulumn (ER) quality control (ERQC) pathway constantly surveys newly synthesized membrane proteins to selectively recognize and degrade faulty proteins whose accumulaiton can lead to various diseases. The ERQC protects the biosynthetic intermediate from degradation, while specifically selects those that have failed to mature for destruction via ER associated degradation pathway. It is largely unknown how ERQC discriminates aforementioned two species of a nascent peptide and triages them between constant folding and degradation. We therefore proposed a “two-step ubiquitination” model based on the fact that sequencial E3 ligases are usually involved in degradation of high-molecular weight transmembrane proteins. We will use cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) as a model to identify transmembrane ubiquitin ligase and potential deubiquitinase involved in co-translational ubiquitination of nascent peptide of membrane proteins. The functional interplay between the ligases and deubiquitinase(s) will be thoroughly investigated in order to reveal the principle of the “molecular switch” that determines the constant folding or degradative fate of CFTR nascent chain. We believe that this research will provide insight into how two antagonizing activities finely tune critical biological event such as membrane protein biosynthesis and quality control.

内质网质量控制系统能有效的监控膜蛋白新生肽链的折叠状态，保护正常的折叠中间体，而将折叠超时或失败的肽链分选出来，利用内质网关联的降解途径将其清除。质量控制系统如何根据已折叠时间来分选正常和折叠失败的肽链、如何决定二者继续折叠或降解的不同命运是本领域内的关键问题。本项目基于已有的发现提出了控制膜蛋白新生肽链合成和降解的“两步泛素化”模型，利用12次跨膜蛋白囊性纤维化跨膜转导调节器（CFTR）为模式研究对象，鉴定调控膜蛋白新生肽链共翻译泛素化的跨膜泛素连接酶和去泛素化酶，着重研究两种酶在功能上的相互作用，最终阐明内质网质量控制系统控制CFTR新生肽链合成或降解两种命运的“分子开关”原理。本课题的研究将深刻揭示两种相互拮抗的酶活力精细调控整合膜蛋白生物合成和降解的偶联机制。

内质网质量控制系统监控新生膜蛋白和分泌蛋白的合成，折叠和装配。错误折叠蛋白质会通过泛素-蛋白酶体介导的内质网关联降解途径（ER-associated degradation, ERAD）被清除。在此降解途径中，错误折叠蛋白质底物如何被识别、穿越内质网膜，并被位于细胞质中的蛋白酶体降解，机制不清晰。我们从两个方面研究了该问题。首先，我们发现错误折叠膜蛋白在内质网膜被泛素化、并在驱动蛋白AAA-ATPase p97/VCP作用下从内质网膜移位至水溶性细胞质后，会经历一步“再泛素化”的机制，才能被蛋白酶体降解。我们鉴定了关键的泛素连接酶复合体BAG6-RNF126, 并将其命名为“再泛素化酶”。我们通过体内敲减和体外重构“再泛素化”等实验，阐明了移位到细胞质中的错误折叠膜蛋白被BAG6-RNF126复合体结合并泛素化的分子机制。“再泛素化”为蛋白酶体快速识别并降解位于细胞质中的错误折叠膜蛋白所必需，其有效加速了错误折叠膜蛋白的降解，减少了其在水溶性细胞质停留的时间，从而避免其形成毒性的聚集物沉积在细胞内。其次，我们研究了三种不同类型的ERAD底物穿越内质网膜时是否需要去折叠；我们发现具有不同结构性质的ERAD底物采用不同的去折叠和跨膜策略：（1）定位于内质网囊腔可溶性的ERAD-L底物无需去折叠，可完整的穿越内质网膜并降解，该过程由泛素连接酶Hrd1介导；（2）HIV 编码的蛋白质Vpu介导的CD4降解过程中，CD4需要去折叠才能通过内质网膜；（3）多次跨膜蛋白的内质网囊腔结构域必需处于完全去折叠的状态才能跨膜内质网膜，该过程由泛素连接酶gp78介导；诱导无结构的囊腔结构折叠会抑制其跨膜移位和降解。由此我们开发出了一种能捕获错误折叠蛋白质跨膜移位中间体的实验体系，为鉴定介导错误折叠蛋白质移位的蛋白质通道打下了基础。