新研究揭示BIRC6調控細胞凋亡、自噬平衡的分子

北京師范大學生命科學學院邱小波-姜天霞團隊與北京大學生命科學學院高寧-李寧寧團隊合作，利用細胞生物學、分子生物學以及生物化學等實驗手段揭示了巨型泛素化酶BIRC6/BRUCE（~530 kDa）維持細胞凋亡和自噬間平衡的重要調控機制，并通過冷凍電鏡技術解析了BIRC6與促凋亡蛋白Smac/DIABLO的復合物結構。該成果已于2024年1月30日在Nature Communications在線發表，題為“Molecular mechanisms underlying the BIRC6-mediated regulation of apoptosis and autophagy”   (Liu et al., Nat Commun, Published online: 30 January 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-45222-1)。邱小波教授、高寧教授和李寧寧研究員為該文的共同通訊作者，北師大生科院博士生劉碩碩、副教授姜天霞、博士生卜凡、碩士生趙吉蘭和博士生王廣菲共5人為共同**作者。其預印本于2022年發表在bioRxiv (Liu et al., 2022, doi: https://doi.org/10.1101/2022.12.10.519866)。 2023年，Science同時發表了三篇其他國際同行關于BIRC6-Smac的復合物冷凍電鏡結構，與他們電鏡部分的結果完全一致（Hunkeler et al., Science, 2023; Dietz et al., Science, 2023; Ehrmann et al., Science, 2023）。

凋亡是一種復雜且受精密調控的程序性細胞死亡，與個體發育及神經退行性疾病和癌癥等各種疾病發生發展密切相關。細胞自噬則是在饑餓、感染等不利應激條件下對蛋白質、損傷細胞器和病原體等降解的過程，與細胞凋亡間存在復雜的相互作用，共同決定細胞命運。在特定條件下，細胞自噬可促進細胞存活，抑制細胞凋亡。因而，揭示這兩種途徑間的平衡機制至關重要，是對細胞生與死較量機制的詮釋。

邱小波教授早在20年前發現BIRC6是一種凋亡抑制蛋白(Inhibitor of Apoptosis Protein, IAP)，并且是在迄今發現的8種人類凋亡抑制蛋白中**必需的，在凋亡發生時被泛素連接酶（E3）Nrdp1介導的泛素-蛋白酶體途徑降解（Qiu et al., EMBO J, 2004）。接著，他和國際同行發現，在正常情況下，BIRC6同時作為泛素耦合酶（E2）和泛素連接酶使促凋亡蛋白Smac和凋亡效應蛋白酶（如caspase-3）泛素化并被蛋白酶體降解，最終抑制細胞凋亡（Qiu et al., JBC, 2005；Bartke   et al., Mol Cell, 2005; Hao et al., Nat Cell Biol., 2005）。隨后，他的團隊又發現BIRC6不僅抑制凋亡，而且在特定應激條件下與Nrdp1、接頭蛋白SIP/CacyBP形成復合物，促進自噬關鍵蛋白LC3-II前體LC3-I的降解，進而抑制細胞自噬（Jiang et al.，PNAS，2019），提示BIRC6可能是細胞凋亡及自噬間平衡的關鍵調控因子。這些結果得到了國際同行的進一步驗證（Jia et al., eLife, 2019； Lian et al., Theranostics, 2019）， 但具體調控機制尚不清楚。

最近，邱小波-高寧合作團隊發現，BIRC6還可結合凋亡起始蛋白酶procaspase 9。Smac不能抑制BIRC6與procaspase 9的結合，但可抑制BIRC6與促凋亡蛋白酶HtrA2和凋亡效應蛋白酶caspase 3的結合。同時，BIRC6可有效抑制procaspase 9的蛋白酶活性，而對效應蛋白酶caspase 3活性抑制較弱，說明BIRC6主要作用于凋亡通路的上游。而目前已知的其它凋亡抑制蛋白（如c-IAP1），可能主要作用于凋亡通路的下游，即主要抑制下游的效應蛋白酶caspase 3等。這也可能解釋為什么在迄今發現的8種人類凋亡抑制蛋白中僅BIRC6為凋亡抑制所必需。為進一步闡明BIRC6的作用機制，他們得到了分辨率為3.6 ?的BIRC6冷凍電鏡結構，揭示BIRC6形成一個反向平行的U型二聚體。重要的是，BIRC6與Smac，而不是其它促凋亡蛋白，在正常條件下的細胞內形成相對穩定的復合物結構。經冷凍電鏡技術解析發現BIRC6通過BIR結構域、螺旋結構域和CBM32結構域將Smac固定于BIRC6的U型結構中心，可能起到阻止BIRC6與其它促凋亡蛋白，如促凋亡蛋白酶HtrA2和凋亡效應蛋白酶caspase 3，結合的作用。這些結果提示Smac與BIRC6的相互拮抗可能在細胞凋亡調控中起著關鍵作用。

另一方面，當細胞響應凋亡刺激時，BIRC6與泛素激活酶（E1）UBA6一起促進自噬關鍵蛋白LC3的K51位點發生泛素化(Jia et al., eLife, 2019)。邱小波-高寧合作團隊發現， LC3的K51泛素化抑制自噬, 促進凋亡。BIRC6的二聚化可能阻斷其LIR基序與LC3的結合，而可能在凋亡信號刺激下，該區域二聚化解離，使得LIR基序可以結合LC3，導致LC3降解，自噬被抑制。最后，他們利用人工智能軟件AlphaFold 預測發現，二聚體BIRC6中阻礙LIR基序結合LC3的區域與BIRC6中BIR結構域結合Smac的位點相重合，從而可能解釋為什么BIRC6能在細胞凋亡和自噬平衡中起關鍵作用。

BIRC6的突變或過表達與各種癌癥相關。這項研究結果不僅揭示了BIRC6如何響應不同刺激而調控凋亡與自噬平衡的分子機制，也有助于發現相關疾病的治療靶點。該研究受到科技部國家重點研發計劃項目，國家自然科學基金委員會原創探索計劃項目、重點項目等資助。

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