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Science:重大进展!发现一种新的微管蛋白去酪氨酸酶---MATCAP

[日期:2022-05-26] 作者:生物谷 次浏览 [字体: ]

微管是真核细胞骨架的一个重要的多功能组成部分,通过产生力量和调节细胞货物的运输来控制细胞的分裂、形状和迁移。尽管所有的微管都是由α-微管蛋白和β-微管蛋白二聚体构成,但由于存在多种微管蛋白亚型和翻译后修饰,它们的化学组成有所不同。一种大量存在的修饰是去除α-微管蛋白的羧基端酪氨酸,称为去酪氨酸化(detyrosination)。这主要发生在稳定的微管上,并且可以被微管蛋白酪氨酸连接酶(tubulin tyrosine ligase, TTL)逆转,该酶作用于被分解的微管蛋白二聚体。不正常的去酪氨酸化与有丝分裂错误、心力衰竭和神经系统缺陷有关,而重新酪氨酸化(retyrosination)对生命来说是必不可少的。尽管几十年前就有描述,但是人们对微管蛋白去酪氨酸化的机制和相关性的理解仍然不完整。

最近,蛋白vasohibin(VASH1和VASH2)与它们的辅助因子小vasohibin结合蛋白(small vasohibin-binding protein, SVBP)一起被确定为去酪氨酸酶。然而,在大多数类型的细胞中,vasohibin的失活并不能消除去酪氨酸化,这表明有一种或多种额外的去酪氨酸酶存在。而其他的微管蛋白修饰是由多个相关的酶组成的大蛋白家族进行的,没有与vasohibin非常相似的蛋白酶。在一项新的研究中,为了确定其他的去酪氨酸酶,来自荷兰癌症研究所的研究人员在单倍体人HAP1细胞中剔除了VASH1和VASH2,并使用微管蛋白酪氨酸化和去酪氨酸化进行全基因组诱变。这些基因筛选的敏感性通过紫杉醇处理或去除TTL来增强,以促进微管蛋白的去酪氨酸化或使酪氨酸裂解不可逆转。

相关研究结果发表在2022年5月20日的Science期刊上,论文标题为“Posttranslational modification of microtubules by the MATCAP detyrosinase”。

通过这些基因筛选,这些作者确定了KIAA0895L是一种之前未被发现的去酪氨酸酶,它也是一种未经研究的没有明显蛋白酶特征的蛋白。同时移除KIAA0895L、VASH1和VASH2会导致体外培养的细胞中微管蛋白去酪氨酸化水平无法检测到。

KIAA0895L的晶体结构显示了一种非典型的属于gluzincins家族的金属蛋白酶褶皱(新型冠状病毒SARS-CoV-2受体ACE2也属于gluzincins家族)。KIAA0895L由于一个简并签名基序(HExxxH而不是HExxH)中断了含有活性位点的螺旋,而没有对催化位点排列的完整性产生实质性的影响,所以没有被注释为蛋白酶。这些作者将这种蛋白重新命名为MATCAP(microtubule-associated tyrosine carboxypeptidase, 微管相关酪氨酸羧肽酶)。

MATCAP和vasohibin采用了非常不同的催化策略(前者是金属蛋白酶,后者是半胱氨酸蛋白酶)来靶向α-微管蛋白的尾部。此外,vasohibin的裂解依赖于EEY末端基序中的倒数第二个谷氨酸,并且只容忍化学上相关的苯丙氨酸替代α-微管蛋白末端的酪氨酸,而MATCAP对这种末端氨基酸残基的性质是混杂的,并且显示出对也位于更上游的α-微管蛋白尾部氨基酸残基的依赖性,以进行底物识别。

微管蛋白去酪氨酸化是由不同的MATCAP和vasohibin去酪氨酸酶进行的。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abn6020。

无催化活性的MATCAP与完全酪氨酸化的微管结合在一起时的低温电镜结构表明,MATCAP识别同一微管原纤维(microtubule protofilament)中的微管蛋白二聚体,而VASH1-SVBP复合物位于相邻的微管原纤维之间。出乎意料的是,通过基因手段剔除小鼠中的MATCAP和SVBP导致它们的可存活下来的后代具有检测不到的去酪氨酸化水平。尽管这些小鼠后代可存活下来,但是它们在神经发生过程中显示出大脑形态上的缺陷伴随着增殖缺陷,并表现出异常的行为。

综述所述,这项新的研究表明哺乳动物中的微管蛋白去酪氨酸化涉及两个进化上不同的酶家族:vasohibin半胱氨酸蛋白酶与它们的肽辅助因子SVBP相结合,以及这些作者发现的非典型的金属蛋白酶MATCAP。Vasohibin和MATCAP的不同进化起源和结构架构引起了一种有趣的可能性,即每种去酪氨酸酶可能差异性地靶向某些微管亚群。在小鼠中,这些酶的去酪氨酸化对于正确的大脑发育是必不可少的,这意味着这种翻译后微管蛋白修饰缺陷可能会导致认知异常的发生。(生物谷 Bioon.com)