線粒體穩態通過復雜的調控機制得以維持，其中包括涉及融合與分裂過程的線粒體動力學平衡。在這一調控中，泛素-蛋白酶體系統（UPS）扮演了核心角色，它控制著關鍵線粒體蛋白的降解。之前，中國科學技術大學許超教授與以色列巴伊蘭大學Itay Koren教授團隊合作解析了Cullin-RING泛素連接酶復合物CRL2FEM1B識別底物羧基端降解信號（C-degron）調控底物泛素化降解的機制。

近期研究表明，CRL2FEM1B還識別并調控線粒體修復相關蛋白FNIP1的穩態。然而，在FEM1B缺失的細胞中所觀察到的線粒體缺陷無法完全歸結于FNIP1的積累，這暗示了FEM1B可能在參與調控其線粒體蛋白質的泛素化降解。并且FNIP1不是嚴格意義上的線粒體蛋白質，FEM1B如何準確定位于線粒體并調控線粒體蛋白穩態，這一問題也未得到解答。

2025年4月22日，以色列巴伊蘭大學Itay Koren教授與中國科學技術大學生命科學與醫學部許超教授合作，在Nature Chemical Biology雜志上在線發表題為TOM20-driven E3 ligase recruitment regulates mitochondrial dynamics through PLD6的研究論文。該研究通過蛋白質組學分析、結構生物學及生物化學等多種方法揭示了FEM1B被TOM20招募到線粒外膜，通過泛素化降解磷脂酶PLD6，進而調控線粒體穩態的分子機制（圖1）。

圖1 CRL2FEM1B泛素連接酶調控線粒體穩態的模型

研究人員首先對FEM1B敲除細胞進行了蛋白質組學定量分析，發現線粒體磷脂酶PLD6是CRL2FEM1B泛素連接酶的底物，并通過pull-down實驗驗證FEM1B直接結合PLD6。利用冷凍電鏡解析CRL2FEM1B與PLD6的復合物結構后發現，盡管PLD6與已知結合FEM1B的C-degron缺乏相似性，其結合FEM1B的位點卻與之前解析的ψ-Pro/C-degron相同。FEM1B通過兩個口袋分別識別PLD6羧基端的芳香族殘基與精氨酸。另外，在敲除FEM1B的細胞中，線粒體聚集在核周區域，且其面積及周長變小，以上缺陷在同時敲除PLD6時得到恢復，表明FEM1B通過精確調控PLD6的水平避免線粒體過度融合。

研究人員還分別通過細胞內與細胞外pull-down實驗發現FEM1B通過與線粒體上的TOM20蛋白質結合被招募至線粒體外膜。解析CRL2FEM1B與TOM20的復合物結構表明，TOM20與FEM1B氨基端的ANK1結構域相互作用，遠離C-degron結合位點。基于結構設計的FEM1B 5E突變體與TOM20的結合能力大大減弱。此外，在敲除FEM1B的細胞中，含有FEM1B 5E的CRL2復合物無法定位于線粒體外膜，引起PLD6水平升高，導致線粒體過度融合。研究人員進一步將該突變體與線粒體定位信號融合，產生“mitoFEM1B 5E”蛋白質。mitoFEM1B 5E可重新定位于線粒體，并在敲除FEM1B的細胞中恢復PLD6的泛素化降解以及線粒體的正常形態。以上結果表明，盡管FEM1B通過結合TOM20而被招募至線粒體，但強制將FEM1B靶向線粒體可不依賴于TOM20，實現降解PLD6的功能。

綜上所述，該研究發現并解析了CRL2FEM1B泛素連接酶通過定位于線粒體外膜調控PLD6穩態的機制，并闡明了蛋白質質量控制在維持線粒體功能中的重要性，為理解泛素-蛋白酶體系統（UPS）調控線粒體穩態提供了新的見解。

以色列巴伊蘭大學的Itay Koren教授與中國科學技術大學生命科學與醫學部的許超教授為該論文的共同通訊作者，Itay Koren教授課題組的Anat Raiff與許超教授課題組的博士生趙是棟為該論文的共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01894-4

制版人： 十一

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