在細胞內，蛋白質的穩態和降解是一個精密調控的過程。如果蛋白質不能及時降解，可能會導致神經退行性疾病、癌癥等多種疾病發生。然而，蛋白質是如何被細胞識別并標記為需要降解的呢？快隨小 M 一起來看下~
泛素化修飾是我們相對熟悉的蛋白降解修飾，但據報道，體內有超過 700 多種蛋白修飾，這些修飾在蛋白穩態中的作用仍需進一步探索。
近期，發表在 Nature 上的一項研究揭示了一種全新的蛋白質降解機制：SCF-FBXO31 復合體識別 C 端酰胺 (CTAPs) 標記蛋白質，促使其通過蛋白酶體降解[1]。這一發現不僅拓展了我們對細胞內蛋白質穩態調控的理解，還可能為未來的疾病治療提供新的思路。
01C 端酰胺為降解信號C-TERMINAL AMIDE AS A DEGRADATION SIGNAL
過去，科學家們認為蛋白質降解主要依賴于泛素-蛋白酶體系統 (UPS)，其中蛋白質的降解標簽通常是通過特定的翻譯后修飾 (如泛素化) 來完成的。然而，這項研究表明，蛋白質的 C 端酰胺修飾本身就可以作為降解信號。這意味著，某些蛋白質在合成或損傷后，只要其 C 端帶有酰胺，就會被細胞快速清除。
研究人員通過構建半合成熒光蛋白報告系統，系統性地分析了不同修飾對蛋白質降解的影響。他們發現，C 端酰胺化的蛋白質在細胞內的降解速率明顯快于未修飾的蛋白。
圖 1. 具有 c 端酰胺的蛋白質被泛素蛋白酶體系統選擇性地降解[1]。
a. 基于 sfGFP 的攜帶 c 端酰胺的半合成報告蛋白示意圖。b. 通過將報告蛋白電穿孔入人細胞系，熒光細胞內報告蛋白試驗來區分修飾的氨基酸降解（MAADs）和中性修飾。c. 蛋白末端攜帶 CONH2 和不攜帶 CONH2 在細胞內對 sfGFP 偶聯物的熒光報告試驗結果。d. 在 HEK293T 細胞中的熒光報告實驗結果。
02 FBXO31: 識別者 FBXO31: THE RECOGNIZER
為了找到識別 C 端酰胺修飾的關鍵因子，研究團隊利用 CRISPR 篩選技術，最終鎖定了 FBXO31 蛋白。FBXO31 是 SCF 復合體 (SKP1-CUL1-F-box 蛋白) 的一個底物受體，它能夠特異性地識別 C 端酰胺并介導其泛素化。
進一步的結構生物學分析顯示，FBXO31 具有一個特異性結合 C 端酰胺的口袋。這個結合口袋通過氫鍵和疏水作用與 C 端酰胺結合，而未修飾的 C 端羧酸由于缺乏必要的氫鍵作用，無法與 FBXO31 結合。這一機制確保了 FBXO31 只靶向 C 端酰胺化蛋白，而不會誤識別正常蛋白。
圖 2. CRISP 篩選鑒定 SCF-FBXO31 作為 CTAP 清除因子[1]。
a. 全基因組 CRISPR 篩選示意圖，以確定 CTAP 清除所需的基因。b. CRISPR 篩選結果。c.在 FBXO31 敲除和對照細胞中 sfGFP 降解時間對比。d. 熒光偏振實驗結果。e. 用 sfGFP-pep1 和 mCherry-pep2 進行體外泛素化檢測。
03 FBXO31 的作用 THE ROLE OF FBXO31
研究還發現，C 端酰胺主要形成于蛋白質氧化損傷之后。例如，在過氧化氫（H2O2）等氧化應激條件下，某些蛋白質會發生斷裂，其新形成的 C 端往往會帶有酰胺修飾。這些酰胺化蛋白隨后被 FBXO31 識別，并通過泛素-蛋白酶體系統進行降解。
這一發現表明，FBXO31 可能是細胞對抗氧化應激的重要防御機制之一。通過清除受損蛋白，FBXO31 能夠幫助細胞維持蛋白質穩態，防止有害蛋白聚集。
圖 3. 氧化蛋白損傷引發體外 CTAP 的形成[1]。
a. 氧化損傷導致體外 CTAP 的形成。b. 基于質譜/質譜法測定血紅蛋白中 CTAP 的體外形成。c. 在公開的人類蛋白質組學數據中檢測到的 CTAP 與體外氧化損傷的比較。
04FBXO31 變異與疾病FBXO31 MUTATIONS AND DISEASES
有趣的是，該研究還揭示了一種與神經疾病相關的 FBXO31 突變體——D334N 突變。攜帶此突變的 FBXO31 失去了對 C 端酰胺的特異性，反而開始錯誤地靶向其他蛋白。這種錯誤識別會導致關鍵細胞蛋白的異常降解，從而影響細胞生存。
D334N 突變已被發現與神經發育障礙、腦癱等疾病相關。這表明，FBXO31 及其調控的 C 端酰胺降解通路可能在神經系統調控中發揮重要作用。
圖 4. D334N 突變破壞 FBXO31 對 CTAP 的識別[1]。
05 小結 CONCLUSION
本研究首-次揭示了 C 端酰胺作為蛋白質降解信號的作用，并發現 FBXO31 是該信號的關鍵識別因子。這一發現不僅深化了我們對蛋白質降解機制的理解，還可能在未來的神經疾病、癌癥和蛋白質穩態研究中發揮重要作用。
隨著對 FBXO31 及其相關通路研究的深入，我們或許能夠開發出新型靶向降解藥物，為疾病治療帶來革命性的突破。未來，針對 FBXO31 的精準調控或將成為蛋白穩態調控領域的重要研究方向。
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[1] Muhar MF, et al. C-terminal amides mark proteins for degradation via SCF-FBXO31. Nature. 2025 Feb;638(8050):519-527.
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