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探索决定人类细胞命运的分子机制:雷普实验室的科学贡献与发展方向

已有 693 次阅读 2022-5-6 09:52 |个人分类:实验室研究|系统分类:科研笔记

探索决定人类细胞命运的分子机制:雷普实验室的科学贡献与发展方向

 

几乎真核细胞生命的每一个方面都受到泛素的调控,泛素是一种小型的“泛素”蛋白质,可以被附加到其他蛋白质上。可以使用各种生化、生物物理和细胞技术来了解泛素及其在发育和疾病的基本过程中的调节作用。泛素化是一种翻译后修饰,对所有真核生物的细胞分裂、分化和生存至关重要。由于异常的泛素化会导致包括癌症和神经变性在内的许多疾病,理解泛素依赖的分化机制不仅为人类发展的基本步骤提供了见解,而且还有助于揭示导致疾病起始或进展的事件。

雷普实验室是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学(MCB)系和霍华德休斯医学研究所(HHMI)的一部分。雷普实验室的负责人是Michael Rape(迈克尔·雷普)教授,他在德国Bayreuth University获得生物化学文凭(1999年),并在德国Max-Planck Institute of Biochemistry获得了博士学位(2002年)。在哈佛医学院完成博士后训练(2006年)后,迈克尔·雷普在加州大学伯克利分校建立了自己的实验室。他目前是加州大学伯克利分校分子和细胞生物学(MCB)系细胞和发育生物学教授(2013年-),也是K. PETER HIRTH癌症生物学讲座教授(2014年-),也是霍华德·休斯医学研究所(The Howard Hughes Medical Institute, HHMI)的研究员(2013年-)。

雷普实验室的工作表明,以泛素化酶为靶点的化合物可以为治疗多种疾病提供好处,该实验室是那些率先将诱导蛋白质降解作为一种新的治疗方式的先驱者之一。因此,雷普实验室的科学贡献揭示了哺乳动物发展的基本原则,为新的和具体的治疗方法铺平了道路。雷普实验室对科学的主要贡献,可简述如下:

一.发现泛素依赖性控制细胞命运决定的机制

泛素化的底物特异性由600多种E3连接酶确定。然而,尽管它们在癌症或神经退行性疾病中经常发生突变,大多数E3连接酶的功能仍然不为人所知。从基因筛选开始,雷普实验室发现了E3连接酶及其底物在人类发育中的重要功能,从而揭示了有丝分裂标记、核糖体规范或囊泡大小控制的分子机制。雷普实验室的工作描述了泛素化在确保干细胞多能性、驱动神经嵴规范或控制神经元分化方面的重要作用,因此对理解组织的形成和维持在动态环境中是如何完成的有重要贡献。   

1. Oh E, Mark KG, Mocciaro A, Watson ER, Prabu JR, Cha DD, Kampmann M, Gamarra N, Zhou CY, and Rape M. (2020). APC/C-dependent control of gene expression and cell identity. Nature 579(7797):136-140.  

2. McGourty CA, Akopian D, Walsh C, Gorur A, Schekman R, Bautista D, and Rape M. (2016). Regulation of the CUL3 ubiquitin ligase by a calcium-dependent co-adaptor. Cell 167(2):525-538. 

3. Werner A., Iwasaki S., McGourty C., Medina-Ruiz S., Teerikorpi N., Fedrigo I., Ingolia N. , and Rape M. (2015). Cell fate determination by ubiquitin-dependent regulation of translation. Nature 525, 523-37. 

4. Jin L, Bajai K, Wickliffe K, Gorur A, Schekman R, and Rape M. (2012). Ubiquitin-dependent regulation of COPII coat size and function. Nature 482(7386):495-500. 

二.发现新的质量控制网络

细胞拥有多种信号系统,可以检测和缓解不良条件,而这种应激反应的失活是神经退行性疾病的常见原因。雷普实验室最近发现了三种应激反应,可以保护细胞免受蛋白质聚集、异常蛋白复合物形成或线粒体失调的影响。这些应激反应成分的突变会导致肌萎缩侧索硬化症,加速亨廷顿氏病的进展,或引发心肌病和糖尿病。这些应激反应的中枢E3连接酶对于小分子触发病理蛋白降解的发展具有很高的兴趣。因此,雷普实验室的工作揭示了真核生物应激信号与药物发现高度相关的原则。

   1.Manford AG, Rodríguez-Pérez F, Shih KY, Shi Z, Berdan CA, Choe M, Titov DV, Nomura DK, and Rape M. (2020). A cellular mechanism to detect and alleviate reductive stress. Cell. 183(1):46-61       

   2.Mena E, Jevtic P. et al., and Rape M. (2020). Structural basis for dimerization quality control. Nature 586(7829):452-456

3.Mena El, Kjolby RAS, Saxton R, Werner A, Lew BG, Boyle JM, Harland R, and Rape M. (2018). Dimerization quality control ensures neuronal development and survival. Science 12;362(6411). 

4.Rape, M., Hoppe, T., Gorr, I., Kalocay, M., Richly, H., and Jentsch, S. (2001). Mobilization of processed, membrane-tethered SPT23 transcription factor by CDC48. Cell 107, 667-677. 

三. 泛素链类型的鉴定

泛素化以一种高度特定的方式控制许多过程,因为它有不同的风味:单泛素化通常以非蛋白水解的方式改变蛋白质的相互作用或定位,而泛素链驱动蛋白质降解、转录因子调节或DNA修复。雷普实验室已经确定了第一个非典型泛素链,通过泛素的Lys11连接。此外,雷普实验室最近发现了分支泛素链作为蛋白酶体优先信号的第一个功能。雷普实验室将研究结果整合到“泛素代码”假说中,该假说提出不同的泛素链类型编码独特的信息,从而在细胞调控中发挥特定的功能。

1.Yau R, Doerner K, Castellanos ER, Werner A, Haakonsen D, Wang N, Yang WX, Matsumoto M, Dixit V, and Rape M. (2017). Assembly and function of heterotypic ubiquitin chains in cell cycle and protein quality control, Cell 171, 918-933. 

2.Meyer, HJ., and Rape M. (2014). Enhanced protein degradation by branched ubiquitin chains. Cell 157 (4): 910- 921

3.Matsumoto M*, Wickliffe KE*, et al. (2010). K11-Linked Polyubiquitination in Cell Cycle Control Revealed by a K11 Linkage-Specific Antibody. Mol. Cell 39(3):477-84 

4.Jin, L.*, Williamson, A.*, Banerjee, S., Phillip, I., and Rape M. (2008). Mechanism of ubiquitin chain formation by the human Anaphase-Promoting Complex. Cell, 133, 653-665. 

四.了解泛素链形成机制

泛素含有8个残基,它们在链组装过程中可以作为下一个泛素的受体位点。如何选择合适的受体残基来形成链还不清楚,因此,泛素链拓扑功能的生化基础还不完全了解。雷普实验室利用APC/C及其E2酶Ube2C和Ube2S阐明了连锁特异性成链的机制,为泛素通路靶向特异性信号通路奠定了基础。

1. Kelly, A, Wickliffe, KE, Song, L, Federigo, I., and Rape M. (2014). Ubiquitin chain formation requires E3- dependent tracking of the emerging conjugate. Mol. Cell 56(2): 232-45. 

2. Williamson A*, Banerjee S*, Zhu X, Philipp I, Iavarone AT, and Rape M. (2011). Regulation of ubiquitin chain initiation to control the timing of substrate degradation. Mol Cell 42, 744-57. 

3. Wickliffe KE*, Lorenz S*, Wemmer D, Kuriyan J, and Rape M. (2011) The mechanism of ubiquitin chain formation by a single-subunit E2. Cell 144, 769-781 

4. Rape, M., Reddy, S.K., and Kirschner, M.W. (2006). The anaphase-promoting complex controls substrate ordering by an intrinsic process akin to kinetic proofreading. Cell 124, 89-103. 

.开发诱导蛋白降解作为一种新的治疗方式

泛素化传统上被认为是“不可抗拒的”,因为E3连接酶对小分子没有明显的结合袋。雷普实验室已经开发了一个强大的策略来分离小分子,这些小分子可以激活E3连接酶,从而触发致病蛋白的降解。在这些研究过程中,雷普实验室已经分离出第一个泛素连接酶的前瞻性分子胶。此外,雷普实验室的工作还促成了一家公共生物医学公司——Nurix Therapeutics的成立,该公司位于旧金山,拥有125名内部员工。

1. Simonetta K.R., et al. (2019). Prospective discovery of small molecule enhancers of an E3 ligase-substrate interaction. (2019). Nature Commun. 10(1):1402. 

在发现和转化生物学的交叉领域,雷普实验室已经发现并剖析决定人类细胞命运的重要途径,并希望将的已有的学术理解转化为神经退行性疾病的创新治疗方案,集中于实验室所倡导的诱导蛋白降解治疗模式。雷普实验室特别对研究蛋白质聚集、异常蛋白复合物形成或氧化还原缺陷调节的质量控制途径在预防神经退行性疾病中的作用感兴趣。

雷普实验室旨在促进所有雷普实验室成员之间的相互理解和共同成长。努力在一个基于实验室所有人的多样性的合作和有趣的环境中进行开创性的科学研究。具体有三个方面:

1.做最高水平的研究

令人敬畏且充满激情

追求卓越

对科学引导你的方向持开放态度

2.开辟科学的新领域

很好奇

做一个开拓者

3.建立良好的培训环境

成为优秀的导师和合作者

支持每一项职业

包容每个人丰富的个人利益

支持我们所有人的身体、精神和财务健康

接受所有建议:给每个人一个论坛

雷普实验室的目标通过以下共同价值观得到支持:

团队精神 &联合领导:雷普实验室共同努力建立一个令人兴奋和功能齐全的实验室——每个人都贡献自己的力量!所有的实验室成员都有责任培养一个协作、友好和交流的环境,以支持彼此的成长和培训。雷普实验室在力所能及的情况下互相帮助,当别人提供帮助和建议时,我们会敞开心扉。

多样、公平、包容:雷普实验室支持来自各地和不同背景的科学家,并相信每个人都可以有所贡献。雷普实验室尊重彼此的差异,反对年龄、国籍、残疾、民族、性别认同、种族、宗教、社会经济地位或性取向方面的歧视。雷普实验室将确保每个人都能在实验室茁壮成长,不辜负他们对生活和实验室的期望。

诚实:研究工作以科学和个人诚信为基础。在工作中创造一个道德的环境

当前,雷普实验室的研究方向可以概括为:研究发育和疾病中决定细胞命运的分子机制。利用遗传或蛋白质组筛选、生化重建和小分子发现的组合,希望发现并从机制上理解指导人类细胞命运决定的信号通路。雷普实验室的工作通常从研究泛素依赖性修饰在发育中的作用开始,但已经扩展到分析蛋白质错误折叠和聚集、异常复合物形成或氧化还原调控缺陷的后果。雷普实验室的多学科方法是通过与湾区的团队的密切合作而成为可能的,包括加州大学伯克利分校、加州大学旧金山分校、斯坦福大学和基因泰克。雷普实验室已经成功地将自己的研究成果转化为新的化疗方法,由Nurix Therapeutics带头。这是雷普实验室最重要的目标之一,以达到同样的治疗神经退行性疾病。

目前雷普实验室的项目包括但不限于以下三个方向:

(1)  作为线粒体变阻器的还原应激反应

   雷普实验室最近发现了还原性应激反应的核心成分(Manford et al., Cell 2020)。这一保护系统检测活性氧(ROS)的普遍缺失,这是一种不活跃的线粒体电子传递链的标志,并反过来触发线粒体看门人的蛋白酶体降解,从而启动氧化磷酸化。因此,还原应激反应控制ATP和ROS的产生,因此是维持生理能量和ROS状态的关键角色。雷普实验室的工作提出了许多令人兴奋的问题,正在积极寻求这些问题。雷普实验室特别感兴趣的是:

还原应激信号是否以及如何与缺氧和氧化应激反应相交,以平衡细胞ROS水平。

   还原应激反应的核心酶E3泛素连接酶CUL2FEM1B如何检测ROS的缺失,从而特异性地诱导氧化还原敏感的蛋白酶体降解事件。

当线粒体活动必须被严格控制时,还原应激反应是否以及如何与发育协调。

是否以及如何利用减少性应激反应治疗与年龄相关的疾病,如神经退行性变,或与异常ROS信号有关的疾病,如肺腺癌。

(2)蛋白质复合物组成的质量控制

虽然大多数质量控制途径的目标是错误折叠的蛋白质,但雷普实验室最近发现,细胞也可以识别含有不适当亚基的蛋白质复合物。雷普实验室的第一个蛋白复合物组成质量控制的例子是E3泛素连接酶SCFFBXL17,它可以选择性降解含BTB结构域蛋白的非活性异二聚体,同时保留活性BTB同源二聚体(Mena等人,Science 2018)。结构研究表明,SCFFBXL17能够识别BTB结构域的形状和互补,因此比大多数已知的E3连接酶使用不同的底物识别模式(Mena等人,Nature 2020)。雷普实验室将此途径命名为二聚体质量控制(DQC)。有趣的是,DQC的缺失导致中枢和外周神经系统的特定表型,强调了在人类发展中的关键作用。雷普实验室现在想问:

蛋白质复合成分的质量控制有多普遍?其他模块交互域是否由类似的机制控制?

一个E3连接酶需要识别大约20000种不同的底物,蛋白质形状如何确定目标特异性?

异常复合物如何干扰发育信号传导?

我们是否可以利用DQC机制——在内源性底物方面,它具有难以置信的万能性,但又具有特异性——来开发药物?

(3)质量控制在预防神经退行性疾病中的作用

  在解剖泛素链形成的分子机制时,雷普实验室发现了第一个非典型泛素链(即K11连接的偶联物)和第一个异型链(即K11/ k48分枝的偶联物)的功能(Jin et al., Cell 2008;Meyer等人,Cell 2014)。生化研究表明,K11/ k48支链是蛋白酶体优先信号,保留给最困难的蛋白水解靶点。事实上,通过与Genentech的Marissa Matsumoto和Vishva Dixit共同开发针对K11/ k48支链的双特异性抗体,雷普实验室发现K11/ k48支链对于快速消除易于聚集的新生多肽是必需的(Yau et al., Cell 2017)。雷普实验室还发现,这些偶联物由特定的E3连接酶UBR4和UBR5组装,并被专用效应物识别,包括泛素选择性分离酶p97/VCP,其功能我们多年前已经描述过(Rape et al., Cell 2001)。K11/ k48支泛素链的所有效应因子在神经退行性疾病的家族形式中都发生了突变。因此,雷普实验室现在很有兴趣问:

  K11/ k48特异性质量控制是否以及如何驱动聚合间隙,以及防止新合成的蛋白质进入现有聚合体。

  K11/ k48特异性质量控制具体或最重要的是保护哪些细胞通路,以及它们的失调如何导致亨廷顿氏病、ALS和阿尔茨海默氏病的神经元死亡?

我们是否能够利用我们发现的强大降解途径,构建更强大的诱导蛋白降解平台,用于治疗神经退行性疾病。

雷普实验室合作者主要有:KURIYAN LAB、SCHEKMAN LAB、INGOLIA LAB与KARPEN LAB,他们都是伯克利加州大学分子和细胞生物学系的同事,且都是霍华德休斯医学研究所的研究员,其中SCHEKMAN还是2013年诺贝尔生理学或医学奖得主。

所有的实验室成员都有责任培养一个协作、友好和交流的环境,以支持彼此的成长和培训。雷普实验室在力所能及的情况下互相帮助,当别人提供帮助和建议时,大家都会敞开心扉。雷普实验室支持来自各地和不同背景的科学家,并相信每个人都可以有所贡献。雷普实验室尊重彼此的差异,反对年龄、国籍、残疾、民族、性别认同、种族、宗教、社会经济地位或性取向方面的歧视。雷普实验室将确保每个人都能在实验室茁壮成长,不辜负他们对生活和实验室的期望。雷普实验室的工作以科学和个人诚信为基础。雷普实验室在工作中创造一个道德的环境。

雷普实验室的学生和博士后在学术界和工业界都获得了声望很高的职位,并获得了重要奖项,包括美国Weintraub最佳论文奖。雷普实验室的负责人迈克尔·雷普曾担任NIGMS CSRS研究部分的主席,是所在领域的多个国际会议的组织者,以及重要的学术期刊eLife的编委会成员。

 




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