《科学》重磅：困扰学界近半个世纪的谜题终于解开了！哈佛团队发现新型蛋白降解系统，直接将无用蛋白扔进垃圾桶，无需泛素化丨科学大发现

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在隐身近半个世纪之后，midnolin终于被科学家揪出来了。

今天，哈佛医学院Michael E. Greenberg和Stephen J. Elledge团队，在顶级期刊《科学》上发表了一项重磅研究成果。

他们发现了一个不依赖于泛素化的新型蛋白降解系统：midnolin-蛋白酶体。从研究结果来看，midnolin蛋白定位于细胞核，它能通过类似一双手的“捕捉”结构域，直接抓住目标蛋白，让蛋白酶体降解无用的目标蛋白[1]。

论文的第一作者、哈佛医学院神经生物学研究员Gu Xin表示，发挥功能后会迅速被midnolin降解的那些“短命”蛋白，科学家已经发现40多年了，但是一直没人知道它们究竟是被谁降解的[2]。

一直以来，那些不依赖于泛素化的蛋白酶体降解，都被认为是意外现象。Greenberg和Elledge团队的这一突破性发现表明，有很多核蛋白的降解依靠midnolin-蛋白酶体，而不是依赖于泛素化。这一发现也挑战了传统认知。

论文首页截图

众所周知，人体在运行的过程中，细胞会及时清除错误折叠的蛋白和不再需要的蛋白，泛素化降解系统在这个过程发挥着重要的作用。

简单来说，那些错误折叠的蛋白或无用的蛋白，会被加上泛素标签，然后被蛋白酶体识别并降解。泛素化降解系统的正常运转，对于维持生命活动的正常运转，防止疾病的发生有重要作用。

泛素-蛋白酶体系统的工作原理，也让药学家产生了新的灵感，促使他们在上个世纪末就提出了基于泛素-蛋白酶体系统的靶向蛋白降解（TPD）制药理念。目前TPD也是炙手可热的研究方向。

然而，在研究泛素-蛋白酶体系统的过程中，也有些意外发现，例如有时候蛋白酶体不依赖于泛素化也会分解一些蛋白。正如前文所说，很多科学家认为这是意外。不过，也有科学家认为这后面可能存在着不依赖于泛素的蛋白降解机制，但是就是找不到背后的关键蛋白。

作为神经生物学家，Greenberg和Gu注意到，在神经系统中，有很多蛋白（例如转录因子等）的半衰期极短（“短命”蛋白），一旦产生，它们就会发挥功能，之后迅速降解，而且这类蛋白的降解似乎不需要泛素的标记。因此，他们想以此为突破口，看看不依赖于泛素化的蛋白酶体降解究竟是啥机制。

Gu博士以EGR1和FosB这两个转录因子作为研究对象，通过CRISPR-Cas9技术在全基因组层面展开大规模筛选，寻找影响二者降解的关键基因。

结果影响两个转录因子降解的头号基因都是MIDN，它在哺乳动物体内编码一种名为midnolin的蛋白质。后续的基因敲除和过表达实验，证实了midnolin是影响EGR1和FosB降解的关键。更重要的是，除了二者之外，还有多个转录因子的降解也受midnolin的影响。

值得注意的是，Gu博士还发现，神经系统中midnolin的表达受各种刺激的诱导，并可能通过反馈机制促进“短命”蛋白在相关生理条件下的降解（简单来说，在受到外界刺激之后，那些“短命”蛋白迅速合成发挥作用，然后被同时合成的midnolin降解，以免产生不良影响）。

更让人吃惊的是，人体内可能有508种蛋白的降解受midnolin的影响。这说明，midnolin调控的蛋白降解绝不是偶然。

可能受影响的蛋白数量

接下来的问题是，midnolin究竟是如何调节蛋白降解的呢？

初步分析显示，midnolin可以直接与蛋白酶体相互作用，抑制泛素化酶的活性不影响midnolin调节的蛋白降解（即使突变掉“短命”蛋白的泛素化位点也不影响），但是蛋白酶体抑制剂会强烈抑制midnolin调节的蛋白降解。这意味着，midnolin调节蛋白的降解确实不需要泛素化，而依赖于蛋白酶体。

随后，Gu博士用AlphaFold预测了midnolin的结构，发现它主要由三部分组成：N端有一个泛素样结构域（Ubl）；C端有一个长α螺旋，称为αHelix-C，其中还有个核定位序列（NLS）；二者之间夹着一个折叠的像双手一样的“捕捉”结构域。

从机制上来看，midnolin会用“捕捉”结构域的那双“小手”，紧紧抓住目标蛋白中的一条β螺旋链，直接将目标蛋白扔进蛋白酶体。Gu博士还用AlphaFold预测了508种蛋白中的β螺旋链，发现其中至少40%能被midnolin“捕捉”。如果删除那些蛋白的对应β螺旋链，midnolin的降解能力就会被削弱。

机制示意图

总的来说，Greenberg和Elledge团队的这项研究发现了一个重要蛋白midnolin，并证明它就是“短命”蛋白不依赖于泛素降解的关键调节酶；而由midnolin和蛋白酶体组成的蛋白降解系统，绕过了泛素化，是一种更简单的蛋白降解途径。

由于有数百个蛋白的降解受midnolin调节，其中有很多位于神经系统，对学习和记忆至关重要，因此抑制或增强midnolin的功能可能会影响动物大脑的学习和存储信息能力。可能给相关疾病的治疗，指出了一个新的探索方向。

更重要的是，这条不依赖于泛素的新型蛋白降解系统，非常简洁，未来或许可以基于midnolin-蛋白酶体系统的调节机制，开发新型靶向蛋白降解类药物，用于神经或精神疾病，以及癌症的治疗。

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参考文献：

[1].Gu X, Nardone C, Kamitaki N, Mao A, Elledge SJ, Greenberg ME. The midnolin-proteasome pathway catches proteins for ubiquitination-independent degradation. Science. 2023;381(6660):eadh5021. doi:10.1126/science.adh5021

[2].https://hms.harvard.edu/news/scientists-discover-previously-unknown-way-cells-break-down-proteins

本文作者丨BioTalker