推荐一篇发表在PNAS上的文章，本文的通讯作者是来自首尔大学细胞降解生物中心的Yong Tae Kwon，以及韩国生命科学研究院的Bo Yeon Kim教授。
细胞内环境平衡的稳定需要细胞能够感知和适应动态变化的环境因素，例如缺氧，氧化应激，极端温度和营养饥饿等等。例如，HIF-1α可以通过脯氨酸的羟化修饰，被E3连接酶泛素化降解，而在缺氧的条件下，HIF-1α则不被氧化，导致缺氧响应的蛋白被转录。然而这种慢性缺氧的传感作用至少需要2-4个小时来完成，所以细胞如何感知急性缺氧，并做出相应的反应目前还不得而知。氧稳态的失调可导致活性氧的过量堆积，从而引发氧化应激。为了应对ROS的水平增加，细胞通过激活特异性的级联信号来控制细胞内氧化还原的稳态。虽然现在对抗氧化应激通路的功能和机制已经有了相当深入的了解，但是对于细胞最初是如何感知ROS积累的目前还知之甚少。此外，尽管氧气和ROS在化学和生理上互相关联，但目前尚不清楚氧气和ROS的传感系统如何互相干扰，特别是当ROS由于慢性缺氧而开始累积时，是如何作用的。Arg/N-决定子途径（Arg/N-degron）可以针对具有不稳定N端残基的蛋白，通过蛋白酶体或自噬途径进行降解。它的作用机制主要是对N端不稳定的天冬氨酸或谷氨酸精氨酰化被N-识别子识别，从而被泛素化以及被蛋白酶体降解。类似的半胱氨酸也可以发生精氨酰化，通过一系类的酶促反应，N端的半胱氨酸可以被氧化成亚磺酰化修饰。最后导致靶标的泛素蛋白酶体途径降解。但是这种N端-半胱氨酸的残基如何在急性缺血以及氧化压力下进行感应，目前还不得而知。为了知道N端半胱氨酸残基在感应氧气和ROS的作用下是如何区分的，作者首先用降解实验，确定了在急性状态下，Nt-Cys起到重要的作用。随后作者用化学手段在细胞中产生大量ROS，或者产生慢性缺血，导致ROS产生两种情况，同样也确定了Nt-Cys对感应具有很大的作用。随后作者用环己二胺-chase的实验证明，暴露在氧化应激下的Nt-Cys残基，通过氧化和精氨酰化，会将蛋白降解的过程从UPS转移成为自噬降解。同样的，在急性缺氧的条件下，蛋白会通过UPS降解，而当缺氧的时间达到6个小时后，底物的稳定性大大增加，随后由溶酶体进行慢性降解。
之前的研究表明细胞感受到氧化水平的急剧变化后，在植物和哺乳动物中都有对应的双加氧酶将半胱氨酸氧化成亚磺酰化，随后作者就在慢性缺氧和氧化应激的状态下，检测半胱氨酸的修饰形式，通过液相色谱-质谱分析显示，大部分暴露于tBHP的细胞，Nt-Cys都显示修饰为磺酰化。并且这种磺酰化修饰的水平是在正常氧状态下的73倍。因此作者发现了在慢性低氧或者氧化应激的条件下，Nt-Cys会被氧化为磺酰化状态，并且会转为自噬形式降解的N-degron。
在随后的研究中，作者弄清了整个在氧化应激或者慢性低氧的条件下Nt-Cys感应以及响应的通路，首先KCMF1蛋白可以结合在磺酰化的半胱氨酸上，而非经典的N-端识别子UBR4可以通过K63以及K27关联的泛素化修饰对其进行标记，随后p62/SQTSM-1/Sequestosome-1作为接下来的识别子，对底物进行自噬形式的降解。这种Cys/N-决定子依赖的重编程过程对于慢性缺氧以及氧化应激均有效，并且作者在之前发现的一个小分子可以帮助p62加速该降解过程的结果也侧面反应了该结论的准确性。
总之，本篇文章发现N-degron的底物半胱氨酸可以作为双向感应器感应氧气以及ROS，并通过下游的级联反应决定靶蛋白半衰期及降解方式。
原文作者：WYK
责任编辑：LYP
原文链接:
https://www.pnas.org/content/pnas/118/50/e2107993118.full.pdf
原文引用：DOI：10.1073/pnas.2107993118
