去泛素化蛋白酶USP25的结构和功能研究

Deubiquitinases (DUBs), an essential protein superfamily complementary to the ubiquitin system, reversibly remove ubiquitins (Ub) from substrates and play a key role in the regulation of many cellular processes such as cell metabolism, differentiation and proliferation. Ubiquitin-specific protease 25 (USP25), a member of the DUB family, is involved in several disease/cancer-related signal pathways including myogenesis, immunity and protein degradation. It is a potential new drug target. Small ubiquitin-like protein SUMO2/3 and ubiquitin (substrate of USP25) could competitively interact with and then covalently attach to USP25, which suggests the existence of a cross-regulation mechanism of USP25 function by ubiquitination and sumoylation. However, the detailed mechanism for the cross-talk at atomic level is yet to be elucidated. In this project, the systematic structural biology studies of USP25 by using NMR technology will be carried on, and the structural basis and the molecular mechanism of the cross-regulation of USP25 function by the non-covalent binding and the covalent modifications of ubiquitin and SUMO2/3 will be disclosed.

去泛素化蛋白水解酶是泛素化修饰系统的重要组成成员，保证了体内蛋白质泛素化和去泛素化的动态平衡，实现了对细胞生命活动如细胞的代谢、分化、增殖等过程的精确调控。DUB家族成员USP25具有广泛而复杂的生理功能，参与肌生成、免疫调控、蛋白质降解等多个信号通路，与疾病/癌症的发生相关，或能成为新的药物靶标。类泛素修饰蛋白SUMO2/3和USP25的催化底物泛素分子可以竞争性结合USP25并对其进行共价修饰，暗示对USP25而言存在着一种被泛素化和SUMO化修饰交叉调控的机制。然而，这种机制目前还没有原子、分子水平上的确切阐释。本项目将以异核多维核磁共振技术为主要手段，通过系统的结构生物学研究来阐明泛素和SUMO2/3与USP25的非共价结合以及共价修饰对USP25功能执行进行交叉调控的结构基础和分子机制。

泛素化修饰在种类多样的蛋白质翻译后修饰中占有举足轻重的地位，几乎参与了细胞内所有重要生命活动。去泛素化水解酶DUB能够识别泛素化的蛋白质底物，通过逆向去泛素化作用，维持体内蛋白质泛素化修饰的平衡。泛素特异性蛋白酶USP25是DUB家族成员之一，具有广泛而复杂的生理功能，在多种疾病/癌症组织器官中高表达，或能成为与疾病/癌症相关的潜在药物靶标。USP25除了核心催化结构域外，在N端还存在一个泛素结合结构区UBR，包含一个泛素相关结构域UBA，两个泛素相互作用模体UIM，以及一个类泛素SUMO相互作用模体SIM。USP25的结构构成组件提示，对USP25 而言存在着一种被泛素化和SUMO 化修饰交叉调控的机制。在本项目中，我们主要利用异核多维NMR技术对USP25 N端泛素结合区UBR的结构和功能进行了探索，并对USP25 UBR与泛素底物、类泛素分子SUMO1/2非共价结合的作用机制和影响展开了讨论。我们发现：1）USP25 N端UBR呈“串珠”状结构，整个分子柔性较大，但折叠区域却高度有序且结构保守。2）USP25 UBR仅利用UBA和UIM结构域与泛素底物发生相互作用，其它区域无贡献。3）USP25 UBR各结构域分别独立结合一个单泛素，其中UIM1结合亲和力最高；在泛素链结合过程中，USP25 UBR各结构域之间存在协同作用。4）USP25 UBR通过SIM区域识别类泛素SUMO1/2分子，而且SUMO1/2的非共价结合可下调USP25去泛素化水解酶活性。5）泛素底物和SUMO1/2分子与USP25 UBR的结合存在竞争性。基于以上实验结果，我们提出了USP25 N端UBR在非共价结合层面调控USP25去泛素化水解酶功能的工作模型。本项目工作阐明了USP25 N端UBR底物识别的结构基础，揭示了泛素底物和类泛素SUMO分子交叉调控USP25酶催化功能的竞争性作用机制，也为今后开展以USP25为靶点的抑制剂发现工作提供了有益线索。