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Nature | C末端酰胺修饰：为蛋白质降解提供临床治疗的新武器

生物探索

2025-02-01 15:30发布于江苏科学领域创作者

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AI划重点 · 全文约6134字，阅读需18分钟

1.研究发现蛋白质C末端酰胺修饰可作为细胞降解的新信号，通过FBXO31识别并标记受损蛋白质。

2.在氧化应激等压力条件下，蛋白质会发生C末端酰胺化，进而触发细胞的质量控制机制，清除损伤蛋白。

3.FBXO31作为“读者”蛋白，专门识别并结合带有C末端酰胺的蛋白质，启动泛素化过程，将其送入蛋白酶体进行降解。

4.通过调控C末端酰胺标记和FBXO31的功能，研究人员有望增强细胞自我修复机制，有效清除积累的损伤蛋白。

5.这一发现为未来治疗神经退行性疾病、癌症等因蛋白质积累引发的疾病提供了新的可能性。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

在我们的细胞内，蛋白质不仅负责执行各种生命活动，还承担着维持细胞正常功能的重要职责。然而，随着时间的推移，或者在受到外部压力的影响下，细胞内的蛋白质会发生损伤，导致其功能异常。为了防止这些受损的蛋白质对细胞造成伤害，细胞内存在一套复杂的机制，通过识别并清除这些损坏的蛋白质来维持细胞的健康。这一过程被称为“蛋白质稳态”或“蛋白质质量控制”。

近年来，研究人员发现了一种新的蛋白质降解信号——C末端酰胺（C-terminal amides）。这种特殊的化学标记，在蛋白质末端形成一种独特的酰胺基团，使得这些蛋白质成为细胞降解系统的靶标。这一发现为我们揭示了细胞如何通过非传统的方式识别和处理受损蛋白质，尤其是在氧化应激等压力条件下的蛋白质损伤。

1月29日Nature的研究报道“C-terminal amides mark proteins for degradation via SCF–FBXO31”，研究人员发现，C末端酰胺能够有效地促进蛋白质的降解，避免这些损伤蛋白在细胞内积累。最关键的是，FBXO31这个特定的蛋白质被发现能够识别这些带有C末端酰胺的蛋白质，并将其标记为降解对象。这项研究揭示了FBXO31在蛋白质质量控制中的核心作用，尤其是在应对氧化压力时，FBXO31能够识别和清除那些由于氧化损伤而产生的C末端酰胺标记的蛋白质。

这一发现不仅丰富了我们对细胞如何识别和清除损伤蛋白的理解，还为未来开发新型的治疗方法提供了可能。通过调控这种蛋白质降解机制，研究人员有望设计出针对特定疾病的靶向药物，帮助我们治疗与蛋白质积累相关的疾病，如神经退行性疾病、癌症等。

细胞如何处理受损蛋白质？

蛋白质是细胞内最为重要的分子之一，几乎所有的细胞功能都依赖于蛋白质的正常合成、折叠和活性。它们参与从基因表达、能量转化到免疫反应等几乎所有的生理过程。然而，蛋白质并非总能保持其功能状态。在细胞经历氧化压力、辐射、化学损伤或其他应激状态时，蛋白质的结构和功能会发生改变。氧化损伤是其中最常见的一种，它通过自由基引起蛋白质氨基酸残基的氧化，导致蛋白质的变性、聚集或活性丧失。正是这些受损的蛋白质，若未及时清除，将成为细胞的“毒素”，影响细胞的正常功能，甚至引发一系列健康问题，如神经退行性疾病、癌症等。

然而，细胞并非对这些受损蛋白束手无策。细胞内存在着一套精密的机制，用于识别并清除这些损坏的蛋白质。这一机制被称为“蛋白质质量控制”（Protein Quality Control，PQC）系统，能够有效维持细胞内蛋白质的稳态。PQC通过识别并去除那些折叠错误、损伤或聚集的蛋白质，确保细胞在正常运行中避免有害蛋白质的积累，从而减少细胞功能受损的风险。

细胞处理受损蛋白质的机制主要依赖于两大系统：一是“自噬系统”，二是“泛素-蛋白酶体系统”（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）。在这两个系统中，UPS尤为重要，它通过泛素化标记蛋白质，然后将其送入蛋白酶体进行降解。泛素化是通过添加一个小分子蛋白质——泛素来标记那些需要被降解的蛋白。被标记的蛋白质进入蛋白酶体后，会被精确切割成小片段，并最终清除出细胞。这个过程不仅确保了损坏蛋白质的及时清除，还能防止它们对细胞造成长时间的毒性伤害。

然而，尽管UPS系统在蛋白质清除上发挥了关键作用，但蛋白质降解的具体标记和过程依然是生命科学研究中的一个谜。近年的研究发现，蛋白质的C末端可能扮演了一个重要的“降解信号”角色。研究人员发现，C末端带有酰胺（CONH2）修饰的蛋白质能够通过UPS系统被迅速识别并降解。这一发现揭示了一个新的蛋白质降解标记，C末端酰胺（C-terminal amides），它为细胞提供了新的工具来清除氧化损伤或其他因应激反应产生的异常蛋白质。

C末端酰胺：蛋白质降解的信号

C末端酰胺（C-terminal amides）是指蛋白质分子末端的氨基酸残基通过酰胺化反应形成的一类化学修饰。具体而言，蛋白质的C末端通常是氨基酸残基的羧基（-COOH）部分，而在C末端酰胺化时，这一羧基会与氨基（-NH2）形成一个酰胺键（-CONH2）。这一修饰不仅改变了蛋白质末端的化学结构，还对蛋白质的稳定性和功能产生了重要影响。与常见的羧基相比，酰胺化的C末端具有更为稳定的化学性质，这使得它在细胞中发挥独特的作用。

在蛋白质降解的过程中，C末端酰胺作为一种特定的化学标记，能够被细胞的降解机制识别。研究表明，带有C末端酰胺修饰的蛋白质在细胞内会显著加速其降解过程，这一发现为蛋白质降解提供了新的思路。尤其是在氧化应激等条件下，蛋白质会发生C末端酰胺化，进而触发细胞的质量控制机制，清除损伤蛋白。

C末端酰胺如何触发蛋白质降解？

C末端酰胺作为降解信号的重要性，首先表现在它能够被细胞内专门的蛋白质识别。FBXO31是一种与泛素-蛋白酶体系统相关的受体蛋白，它能够识别并结合带有C末端酰胺的蛋白质。FBXO31是一种F-box蛋白，它通过与SCF复合体（由SKP1、CUL1等组成的泛素连接酶复合体）结合，帮助将含有C末端酰胺的蛋白质标记为降解对象。FBXO31通过其特有的结合位点，能够精确识别几乎所有带有C末端酰胺的肽段，而不与常规的未修饰蛋白质发生结合。

实验数据也明确支持了这一机制。在将带有C末端酰胺修饰的荧光蛋白（如sfGFP）引入细胞后，研究人员发现，这些带有C末端酰胺的蛋白质会在几小时内迅速降解。而这一过程不仅依赖于泛素化，还受到蛋白酶体的参与。当研究人员使用TAK243（一种E1泛素连接酶抑制剂）或依普辛（epoxomicin，一种蛋白酶体抑制剂）时，C末端酰胺修饰的蛋白质的降解过程被明显抑制，进一步证明了C末端酰胺通过泛素-蛋白酶体途径启动蛋白质降解。

值得注意的是，这一发现不仅仅限于人工合成的标记蛋白。研究人员还发现，C末端酰胺在细胞内的自然形成同样能够触发蛋白质降解。例如，氧化应激条件下，细胞内的某些蛋白质会因受损而产生C末端酰胺修饰，这些蛋白质随后会被细胞识别并迅速降解。这一机制为细胞提供了一种有效的手段，用于清除那些由于外界压力（如氧化应激）而发生结构变化的蛋白质。

C末端酰胺修饰蛋白质通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）被选择性降解（Credit: Nature）

a：展示了一个基于sfGFP的半合成报告蛋白，该蛋白携带C末端酰胺（CONH2）修饰。这个设计用于研究带有C末端酰胺的蛋白如何在细胞内被降解。

b：展示了一种荧光细胞内报告实验，通过电穿孔将报告蛋白引入人类细胞系，并区分修改氨基酸降解信号（MAADs）与中性修饰。该实验能够有效区分带有C末端酰胺修饰的蛋白质与其他无害修饰之间的差异。

c：展示了在K562细胞中进行的细胞内报告实验，比较了带有C末端酰胺（-CONH2）与没有C末端酰胺（-COOH）修饰的sfGFP蛋白。实验结果表明：带有C末端酰胺修饰的sfGFP蛋白被快速降解；未修饰的sfGFP蛋白则稳定存在；此外，使用不同的抑制剂处理后，降解情况发生了显著变化：DMSO（对照组）未对降解产生影响；溶酶体抑制剂folimycin（100 nM）未显著影响蛋白降解；蛋白酶体抑制剂epoxomicin（500 nM）显著抑制了C末端酰胺修饰蛋白的降解；E1泛素连接酶抑制剂TAK243（1 µM）同样阻止了C末端酰胺修饰蛋白的降解。这些结果表明，C末端酰胺修饰蛋白的降解是通过泛素-蛋白酶体系统介导的。

d：在HEK293T细胞中，使用相同的肽段（mCherry标记）进行类似的报告实验。该实验验证了在HEK293T细胞中，C末端酰胺修饰与蛋白降解的关系，与K562细胞的结果一致。

FBXO31：蛋白质降解的“读者”蛋白

在细胞内，FBXO31是一个重要的蛋白质，它作为“读者”蛋白，专门识别并结合带有C末端酰胺的蛋白质。这一作用使得FBXO31在细胞质量控制系统中扮演了至关重要的角色。FBXO31属于F-box蛋白家族，F-box蛋白通过与SCF复合体结合，能够精确地识别和标记目标蛋白进行降解。SCF复合体是细胞内主要的泛素连接酶复合体之一，负责将泛素标签加到特定的蛋白质上，从而将其送入蛋白酶体进行降解。

FBXO31的特殊性在于，它通过一个专门的结合位点，能够选择性地识别带有C末端酰胺（CONH2）修饰的蛋白质。这一酰胺化标记使得蛋白质成为降解的靶标。在实验中，当将带有C末端酰胺修饰的荧光蛋白引入细胞时，FBXO31能够迅速识别这些蛋白并启动降解过程。通过泛素化过程，FBXO31帮助将这些受损或异常的蛋白质送入蛋白酶体进行降解，确保细胞内没有损伤的蛋白质积累，保持细胞内环境的稳定。

FBXO31不仅能够识别C末端酰胺，它还表现出对不同氨基酸残基的高度选择性。例如，FBXO31对含有氨基酸酰胺的C末端具有强烈的亲和力，而对常规的羧基C末端则几乎不产生结合。这种选择性确保了FBXO31能够精确识别因氧化应激或其他损伤而形成的C末端酰胺，从而触发降解过程。

CRISPR筛选揭示FBXO31的重要性

为了更深入理解FBXO31在C末端酰胺介导的蛋白质清除过程中的作用，研究人员采用了CRISPR基因筛选技术，揭示了FBXO31在这一过程中不可或缺的角色。在实验中，研究者使用CRISPR/Cas9技术在K562细胞中敲除FBXO31基因，并观察带有C末端酰胺修饰的蛋白质（如sfGFP–CONH2）的降解情况。结果显示，当FBXO31被敲除时，这些修饰蛋白的降解过程显著减缓，表明FBXO31在细胞内负责清除C末端酰胺修饰蛋白的过程。

进一步的分析显示，除了FBXO31，SCF复合体的其他成员，如CUL1，也在这一过程中的发挥作用。通过系统筛选，研究者还发现其他与泛素化相关的蛋白，如COP9信号体（CSN）复合体，参与了FBXO31介导的降解过程。总的来说，这些筛选结果明确揭示了FBXO31作为SCF复合体的一个关键成员，在C末端酰胺介导的蛋白质降解中具有核心作用。

这些研究数据为FBXO31的生物学功能提供了有力的证据，证明了它在细胞质量控制中的关键作用。通过调控FBXO31的活性，细胞能够精准地清除氧化损伤等引起的异常蛋白，避免损伤蛋白的积累，这对于维持细胞的正常功能和健康至关重要。

氧化应激与C末端酰胺的生成

氧化应激如何引发C末端酰胺的形成？

氧化应激是细胞在遭受外部压力（如辐射、污染物质或化学药品）或内源性代谢产物（如自由基和过氧化物）影响时，产生的一种反应。过量的氧化物质会与细胞内的各种生物分子，包括蛋白质，发生反应，导致其功能丧失和结构损伤。这些氧化损伤不仅改变了蛋白质的结构，还可能导致它们发生非酶催化的化学修饰，其中C末端酰胺化就是一种重要的修饰方式。

在氧化应激的条件下，氧化剂（如氢过氧化物）会引发蛋白质的肽链断裂，形成新的C末端。随后，这些新形成的C末端在特定条件下通过非酶催化作用转变为C末端酰胺（CONH2）。这一过程称为C末端酰胺化，通常发生在蛋白质的末端氨基酸残基的羧基（-COOH）部分与氨基（-NH2）之间形成酰胺键，从而稳固地标记这些受损的蛋白质。

研究人员发现，暴露于氧化应激条件下，诸如血红蛋白等多种内源性蛋白质都会在其C末端产生酰胺化修饰。通过质谱分析，他们不仅发现了具有C末端酰胺的蛋白质，还发现这些酰胺化蛋白质的生成与氧化损伤密切相关。实验表明，这种C末端酰胺的形成主要是由于蛋白质的断裂和随后的氨基酸转化，进一步支持了氧化应激是C末端酰胺生成的关键因素。

C末端酰胺：蛋白质降解的新标记

C末端酰胺的生成不仅是氧化应激的一个标志，它还作为一种新的“降解信号”，被细胞的降解机制所识别。在细胞内，带有C末端酰胺的蛋白质通常会被迅速识别并清除。这一过程是通过FBXO31等“读者”蛋白来实现的。FBXO31通过其特有的结合位点精确识别C末端酰胺，进而启动泛素化过程，将这些受损蛋白标记为降解目标。FBXO31与SCF复合体共同作用，通过泛素-蛋白酶体途径清除带有C末端酰胺的蛋白质，从而防止它们在细胞内积累。这种降解机制确保了细胞能够有效地应对因氧化应激引起的蛋白质损伤，保持细胞内环境的健康和稳定。

研究还发现，氧化应激条件下生成的C末端酰胺不仅限于某一特定的蛋白质或细胞类型。无论是血红蛋白、氨基酰化tRNA合成酶，还是其他多种蛋白质，都可能在氧化应激下生成C末端酰胺，这一过程被FBXO31等蛋白识别并介导降解。这表明，C末端酰胺可能是一类广泛的、非特异性蛋白损伤的标记，能够在细胞中普遍应用于氧化损伤蛋白的识别和清除。

精准靶向降解：未来治疗的希望

C末端酰胺及FBXO31在蛋白质降解中的作用，不仅为我们提供了对细胞质量控制机制的新理解，也为未来药物研发带来了新的可能性。尤其是对于那些由于异常蛋白积累引起的疾病，如神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）和癌症，C末端酰胺修饰及FBXO31的机制可能成为精准靶向治疗的突破口。

在神经退行性疾病中，错误折叠的蛋白质往往会聚集成有害的沉积物，进而破坏神经元的功能。传统的治疗方法往往难以有效清除这些聚集蛋白，或者仅能减缓症状的进展。然而，研究发现，C末端酰胺作为蛋白质损伤的标记，能够被细胞通过FBXO31识别并标记为降解目标。这一发现为神经退行性疾病的治疗提供了新的方向。通过靶向FBXO31或调节C末端酰胺的形成，研究人员有可能开发出一种新型的药物，能够帮助细胞更高效地清除这些有害的聚集蛋白，减缓或治疗神经退行性疾病。

在癌症治疗方面，肿瘤细胞经常因基因突变或应激条件下形成异常蛋白，而这些异常蛋白可能促进肿瘤的生长和扩散。通过精准调节FBXO31的活性或C末端酰胺的生成，可以帮助清除这些异常的肿瘤蛋白，从而限制肿瘤的生长和转移。更重要的是，FBXO31与SCF复合体的结合特性使得其成为一个极具潜力的靶点，可以用于开发针对肿瘤细胞中损伤蛋白的药物。通过这种精确的靶向降解机制，未来的抗癌药物可能会比传统疗法更具针对性，副作用更小。

用C末端酰胺标记来对抗蛋白质积累

蛋白质积累是多种疾病的共同特征，尤其是在神经退行性疾病和老化过程中，损伤蛋白的积累会严重影响细胞的功能。然而，细胞本身具有强大的能力来识别和清除损伤的蛋白质。通过调节C末端酰胺标记和FBXO31的功能，研究人员有可能增强这一自我修复机制，帮助细胞更有效地清除积累的损伤蛋白。

研究显示，C末端酰胺不仅是氧化应激下蛋白质损伤的标志，它还作为一个信号，能够启动FBXO31与SCF复合体的降解过程。通过调控这一机制，研究人员可以实现对受损蛋白的精准清除。例如，开发出能够增加C末端酰胺生成的药物，或增强FBXO31识别和清除损伤蛋白的能力，可能会显著改善细胞的健康状态。特别是在老化或某些疾病状态下，增强这一过程不仅可以减缓细胞损伤，还可能逆转某些病理状态，从而改善患者的整体健康。

此外，这一发现还可能带来新型的蛋白质降解药物的开发。这些药物将通过引导特定蛋白质进入蛋白酶体系统，帮助细胞清除那些因错误折叠或氧化损伤而无法正常工作或者有害的蛋白。通过调节C末端酰胺标记的生成或FBXO31的活性，这类药物有望提供一个全新的治疗方式，尤其适用于那些由于蛋白质积累引发的慢性疾病。

通过进一步研究和开发，C末端酰胺和FBXO31可能为临床上治疗多种疾病提供强有力的武器，尤其是在那些由蛋白质错误折叠和聚集引起的疾病中，研究人员可能通过精准调控蛋白质降解过程，为患者带来更高效且更有针对性的治疗方案。

参考文献

Muhar MF, Farnung J, Cernakova M, Hofmann R, Henneberg LT, Pfleiderer MM, Denoth-Lippuner A, Kalčic F, Nievergelt AS, Peters Al-Bayati M, Sidiropoulos ND, Beier V, Mann M, Jessberger S, Jinek M, Schulman BA, Bode JW, Corn JE. C-terminal amides mark proteins for degradation via SCF-FBXO31. Nature. 2025 Jan 29. doi: 10.1038/s41586-024-08475-w. Epub ahead of print. PMID: 39880951.

责编|探索君

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