泛素化是真核生物中广泛存在的翻译后修饰之一，调控了几乎所有细胞过程。泛素化修饰的酶学系统中，泛素连接酶（E3酶）具有严格的底物识别和泛素链生成特异性，在泛素化生成过程中扮演了最关键的角色。人的基因组中一共编码了超过600种E3酶，其中一些被证明是多种疾病治疗的重要靶点。另一方面，E3酶依赖的蛋白水解靶向嵌合体技术（PROTAC）的发展，又为药物诊疗技术带来了新变革。因此，理解各种E3酶的底物特异性和催化机制成为泛素领域的热点问题。然而，相关研究一直受限于E3酶介导的酶促级联反应是个瞬时、动态的过程，难以捕获到稳定的中间体来研究相关酶学反应的分子模型。

2021年11月18日，Nature杂志在线发表了上海交通大学潘漫团队的最新研究论文——“Ubr1介导N端降解子泛素化起始和延伸的结构机制”（Structural insights into Ubr1-mediated N-degron polyubiquitination）。该文通过蛋白化学合成技术和冷冻电镜技术，开发了针对泛素E3酶的“化学捕获”策略，并揭示了泛素E3连接酶Ubr1识别并以K48链型多聚泛素化修饰底物的动态机制。在这项研究中，作者们利用蛋白质化学合成技术分别获取了Ubr1催化的第一步（泛素修饰起始）和第二步（泛素修饰延伸）泛素转移反应的中间体模拟物（图1），并使用这些模拟物结合冷冻电镜技术分别捕获了Ubr1在介导底物蛋白的泛素化起始和K48泛素链延伸时的构象，最终解析了相关酶促步骤的高分辨结构（图2）。

图1. “化学捕获”策略获取特定泛素E3酶的催化构象。

图2. a.起始构象复合物结构。b.延伸构象复合物结构。

通过结构分析和体外生化研究，作者们发现并鉴定了Ubr1催化泛素化反应的关键结构元件，包括底物结合元件Ubr-Box1及Ubr-Box2，Ubc2招募元件U2BR（Ubc2-binding region）和受体泛素结合元件（Ub-binding loop），这些元件的表征使我们进一步理解了泛素E3酶介导的底物蛋白多聚泛素化的反应机制（图3）。

图3. Ubr1催化泛素化起始和延伸的机理模型图。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04097-8