Nature揭示蛋白质降解新机制：FBXO31 如何识别蛋白 C 端酰胺并促进降解？ | MCE

在细胞内，蛋白质的稳态和降解是一个精密调控的过程。如果蛋白质不能及时降解，可能会导致神经退行性疾病、癌症等多种疾病发生。然而，蛋白质是如何被细胞识别并标记为需要降解的呢？快随小 M 一起来看下~

泛素化修饰是我们相对熟悉的蛋白降解修饰，但据报道，体内有超过 700 多种蛋白修饰，这些修饰在蛋白稳态中的作用仍需进一步探索。

近期，发表在 Nature 上的一项研究揭示了一种全新的蛋白质降解机制：SCF-FBXO31 复合体识别 C 端酰胺 (CTAPs) 标记蛋白质，促使其通过蛋白酶体降解[1]。这一发现不仅拓展了我们对细胞内蛋白质稳态调控的理解，还可能为未来的疾病治疗提供新的思路。

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C 端酰胺为降解信号

C-TERMINAL AMIDE AS A DEGRADATION SIGNAL

过去，科学家们认为蛋白质降解主要依赖于泛素-蛋白酶体系统 (UPS)，其中蛋白质的降解标签通常是通过特定的翻译后修饰 (如泛素化) 来完成的。然而，这项研究表明，蛋白质的 C 端酰胺修饰本身就可以作为降解信号。这意味着，某些蛋白质在合成或损伤后，只要其 C 端带有酰胺，就会被细胞快速清除。

研究人员通过构建半合成荧光蛋白报告系统，系统性地分析了不同修饰对蛋白质降解的影响。他们发现，C 端酰胺化的蛋白质在细胞内的降解速率明显快于未修饰的蛋白。

图 1. 具有 c 端酰胺的蛋白质被泛素蛋白酶体系统选择性地降解[1]。

a. 基于 sfGFP 的携带 c 端酰胺的半合成报告蛋白示意图。b. 通过将报告蛋白电穿孔入人细胞系，荧光细胞内报告蛋白试验来区分修饰的氨基酸降解（MAADs）和中性修饰。c. 蛋白末端携带 CONH2 和不携带 CONH2 在细胞内对 sfGFP 偶联物的荧光报告试验结果。d. 在 HEK293T 细胞中的荧光报告实验结果。

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FBXO31: 识别者

FBXO31: THE RECOGNIZER

为了找到识别 C 端酰胺修饰的关键因子，研究团队利用 CRISPR 筛选技术，最终锁定了 FBXO31 蛋白。FBXO31 是 SCF 复合体 (SKP1-CUL1-F-box 蛋白) 的一个底物受体，它能够特异性地识别 C 端酰胺并介导其泛素化。

进一步的结构生物学分析显示，FBXO31 具有一个特异性结合 C 端酰胺的口袋。这个结合口袋通过氢键和疏水作用与 C 端酰胺结合，而未修饰的 C 端羧酸由于缺乏必要的氢键作用，无法与 FBXO31 结合。这一机制确保了 FBXO31 只靶向 C 端酰胺化蛋白，而不会误识别正常蛋白。

图 2. CRISP 筛选鉴定 SCF-FBXO31 作为 CTAP 清除因子[1]。

a. 全基因组 CRISPR 筛选示意图，以确定 CTAP 清除所需的基因。b. CRISPR 筛选结果。c.在 FBXO31 敲除和对照细胞中 sfGFP 降解时间对比。d. 荧光偏振实验结果。e. 用 sfGFP-pep1 和 mCherry-pep2 进行体外泛素化检测。

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FBXO31 的作用

THE ROLE OF FBXO31

研究还发现，C 端酰胺主要形成于蛋白质氧化损伤之后。例如，在过氧化氢（H2O2）等氧化应激条件下，某些蛋白质会发生断裂，其新形成的 C 端往往会带有酰胺修饰。这些酰胺化蛋白随后被 FBXO31 识别，并通过泛素-蛋白酶体系统进行降解。

这一发现表明，FBXO31 可能是细胞对抗氧化应激的重要防御机制之一。通过清除受损蛋白，FBXO31 能够帮助细胞维持蛋白质稳态，防止有害蛋白聚集。

图 3. 氧化蛋白损伤引发体外 CTAP 的形成[1]。

a. 氧化损伤导致体外 CTAP 的形成。b. 基于质谱/质谱法测定血红蛋白中 CTAP 的体外形成。c. 在公开的人类蛋白质组学数据中检测到的 CTAP 与体外氧化损伤的比较。

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FBXO31 变异与疾病

FBXO31 MUTATIONS AND DISEASES

有趣的是，该研究还揭示了一种与神经疾病相关的 FBXO31 突变体——D334N 突变。携带此突变的 FBXO31 失去了对 C 端酰胺的特异性，反而开始错误地靶向其他蛋白。这种错误识别会导致关键细胞蛋白的异常降解，从而影响细胞生存。

D334N 突变已被发现与神经发育障碍、脑瘫等疾病相关。这表明，FBXO31 及其调控的 C 端酰胺降解通路可能在神经系统调控中发挥重要作用。

图 4. D334N 突变破坏 FBXO31 对 CTAP 的识别[1]。

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小结

CONCLUSION

本研究首次揭示了 C 端酰胺作为蛋白质降解信号的作用，并发现 FBXO31 是该信号的关键识别因子。这一发现不仅深化了我们对蛋白质降解机制的理解，还可能在未来的神经疾病、癌症和蛋白质稳态研究中发挥重要作用。

随着对 FBXO31 及其相关通路研究的深入，我们或许能够开发出新型靶向降解药物，为疾病治疗带来革命性的突破。未来，针对 FBXO31 的精准调控或将成为蛋白稳态调控领域的重要研究方向。

[1] Muhar MF, et al. C-terminal amides mark proteins for degradation via SCF-FBXO31. Nature. 2025 Feb;638(8050):519-527.