Science | 罕见，一连三发！泛素连接酶BIRC6介导的SMAC调控凋亡和自噬的分子机制被解密

细胞凋亡的严格调控对于后生动物的发育和预防癌症和神经退行性变等疾病至关重要。Caspase激活是凋亡的核心，而抑制凋亡(IAP)蛋白是抑制Caspase活性的主要作用分子，因此是有吸引力的治疗靶点。反过来，IAPs受线粒体衍生的促凋亡因子(如Smac和HtrA2)的调控。

2023年2月9日，美国Dana-Farber癌症研究所Eric S. Fischer团队在Science 杂志在线发表题为“Structures of BIRC6-client complexes provide a mechanism of Smac-mediated release of caspases”的研究论文。该研究通过一系列与Smac、caspases和HtrA2结合的全长人杆状病毒IAP重复蛋白6 (Baculoviral IAP repeat-containing protein 6，BIRC6)的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，对BIRC6介导的caspase抑制和Smac释放caspase提供了分子上的理解。总之，该研究表明BIRC6的结构，以及Smac的近乎不可逆结合，阐明了IAP抑制剂Smac如何有效地控制一种泛素连接酶以响应凋亡刺激。

另外，2023年2月9日，奥地利维也纳生物中心分子病理学研究所Tim Clausen、Julian F. Ehrmann与Daniel B. Grabarczyk合作在Science 发表题为“Structural basis for regulation of apoptosis and autophagy by the BIRC6/SMAC complex”的研究论文，该研究对BIRC6与caspase-9、HTRA2、SMAC和LC3B等关键凋亡和自噬蛋白的复合物进行了结构功能分析。冷冻电子显微镜结构显示BIRC6形成了一个兆达尔顿的新月形，围绕着一个包含客户蛋白受体位点的宽敞腔。SMAC的多价结合阻碍了客户端结合，阻碍了自噬和凋亡底物的泛素化。总之，基于这些数据，这项研究讨论了BIRC6/SMAC复合物如何作为应激诱导中枢调节凋亡和自噬驱动因子。

2023年2月9日，牛津大学Paul R. Elliott团队在Science 发表题为“Structural basis for SMAC-mediated antagonism of caspase inhibition by the giant ubiquitin ligase BIRC6”的研究论文，该研究发现BIRC6直接限制caspases-3和-7，泛素caspases-3，-7和-9只与非标准E1, UBA6作用。重要的是，研究发现SMAC抑制了这两种机制。BIRC6单独和与SMAC复合物的冷冻电子显微镜结构显示BIRC6是一种反平行的二聚体，将底物结合模块与催化结构域并列。此外，发现SMAC与BIRC6的多位点结合导致亚纳摩尔亲和相互作用，使SMAC竞争性地取代caspases，从而对抗BIRC6的抗caspase功能。

基因编码的细胞死亡程序，如凋亡、坏死或焦亡，在发育过程中清除受感染的、受损的或过时的细胞，在所有后生动物中都是必不可少的。细胞死亡途径的异常活动或缺乏调节导致一系列广泛的人类病理，如神经退行性变、自身炎症性疾病和癌症。凋亡信号通路集中于半胱氨酸依赖的天冬氨酸定向蛋白酶(caspases)的激活，从而触发凋亡程序的执行。凋亡抑制蛋白(IAP)通过直接结合和抑制启动者caspase- 9 (casp-9)和执行者caspase- 3和casp- 7 (casp-3和casp- 7)来控制细胞的死亡承诺。

许多癌细胞表达较高水平的IAPs，并具有较高的凋亡阈值来抵抗凋亡信号和细胞毒性治疗。在哺乳动物中，存在7种IAPs，也称为BIRCs (BIR结构域包含蛋白)。所有IAPs中发现的BIR结构域都与caspases的保守的IAP结合基元(IBM)相互作用。大多数IAPs还作为泛素连接酶介导多泛素化，从而降解caspases。凋亡刺激导致BCL-2家族介导的线粒体促凋亡分子的释放，包括细胞色素c、凋亡诱导因子、caspases的第二线粒体激活因子[Smac，也称为低等电点的直接IAPs结合蛋白(DIABLO)]和丝氨酸蛋白酶高温需求蛋白A2 (HtrA2)。与caspases类似，Smac和HtrA2都通过Nterminal IBM直接与IAPs的BIR结构域相互作用，从而阻断IAPs介导的caspase抑制，释放细胞死亡的刹车。这些观察结果导致了针对IAP/caspase相互作用的小分子Smac模拟药物的发展，其中一些目前正在进行临床探索。

BIRC6[也称为Apollon或Bruce]在细胞分裂、调节自噬中起关键作用，并被证明具有典型的抗凋亡活性。果蝇BIRC6同源物dBRUCE通过靶向Reaper抑制细胞凋亡，Reaper是Smac的功能同源物，在其IBM中具有较高的序列相似性。BIRC6是一个必要的IAP，也是进化上最古老的获得E3泛素连接酶活性的IAP(30)。大的，多结构域530-kDa蛋白有一个靠近氨基端(N端)的BIR结构域和一个靠近C端的E2-E3杂交泛素偶联(UBC)结构域，而蛋白质的其余部分在很大程度上仍然未被表征。BIRC6与casp-3、casp-7和casp-9相互作用并抑制，这些相互作用被Smac抑制。BIRC6也被确定为caspases和HtrA2的底物。

研究机制（图源自Science ）

由于缺乏结构信息，BIRC6如何结合并抑制促凋亡的caspases，以及这种抑制如何被Smac和HtrA2有效抵消仍然是难以捉摸的。这项研究展示了全长BIRC6单独或与Smac、casp- 3、casp-7或HtrA2结合的冷冻电子显微镜结构，并讨论了BIRC6如何利用不同的底物和抑制剂来控制细胞凋亡。研究发现BIRC6的二聚体结构建立了一个容纳的中心腔，允许通过完美间隔的BIR域招募的不同因子竞争性结合，并通过静电相互作用稳定。这种结构，加上Smac的近乎不可逆结合，协调了BIRC6对caspase的抑制和泛素化在细胞凋亡时的释放。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5750

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8873

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade8840

转自：“iNature”微信公众号

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