NSMB | 西湖大学胡奇/吴建平揭示辅助蛋白和棕榈酰化对RAS棕榈酰转移酶的调控机制

人HRAS和NRAS C端高变区半胱氨酸残基棕榈酰化是RAS信号转导所必需的，它是由酰基转移酶DHHC9及其辅助蛋白GCP16复合物催化的。酰基转移酶活性及GCP16调控DHHC9的分子基础尚不清楚。

2024年1月5日，西湖大学胡奇及吴建平共同通讯在Nature Structural & Molecular Biology 在线发表题为“Regulation of RAS palmitoyltransferases by accessory proteins and palmitoylation”的研究论文，该研究报道了人DHHC9 - GCP16复合物及其酵母对偶物Erf2 - Erf4复合物的冷冻电镜结构，表明GCP16和Erf4不直接参与催化过程，而是分别稳定DHHC9和Erf2的结构。

研究发现DHHC9富含精氨酸区域的磷脂结合和三个残基(C24, C25和C288)上的棕榈酰化对DHHC9 -GCP16复合物的催化活性至关重要。此外，该发现GCP16还与DHHC14和DHHC18形成配合物，催化RAS棕榈酰化。这些发现为RAS棕榈酰转移酶的调控机制提供了新的见解。

RAS GTPases在不活跃的GTP绑定状态和活跃的GTP绑定状态之间切换。这一过程受鸟嘌呤核苷酸交换因子和GTPase激活蛋白的调控。此外，脂化为RAS GTPases增加了另一层调控。每个RAS异构体在其C端具有CAAX基序，其中半胱氨酸残基可以被戊基化；戊烯酰化后，通过RAS转化CAAX内肽酶1 (RCE1)去除AAX，异戊烯酰半胱氨酸羧甲基转移酶1将暴露的羧基甲基化。一些RAS亚型，如人类HRAS和NRAS，携带第二种脂化-棕榈酰化，发生在CAAX基元上游的半胱氨酸残基。HRAS和NRAS在丙烯酰化后定位到高尔基体膜，随后进行CAAX基序加工，然后在棕榈酰化后转运到质膜，当棕榈酰化被去棕榈酰化酶擦除后离开质膜。棕榈酰化和去棕榈酰化步骤都是治疗由HRAS或NRAS异常激活引起的癌症的潜在靶点，研究结果表明，阻断任何一个步骤都会破坏NRAS G12D突变体的致癌活性。

据报道，人HRAS和NRAS的棕榈酰化是由DHHC9和GCP16(也称为GOLGA7)形成的蛋白质复合物催化的。DHHC9属于半胱氨酸酰基转移酶家族，该家族通过硫酯键催化棕榈酰基(或其他长链酰基)与半胱氨酸残基侧链的共价连接。该家族的成员具有两个与其保守催化机制相关的结构特征:一个是富含半胱氨酸的结构域，其中保守的DHHC (Asp-His-His-Cys)基元被确定为催化中心；另一个是由四个跨膜螺旋(TMs)形成的长链酰基结合袋。在人类中，已有23个DHHC酰基转移酶经鉴定具有不同的亚细胞定位和底物特异性。DHHC20及其与棕榈酰辅酶A配合物的晶体结构已被报道，为DHHCs的结构和催化活性提供了有价值的见解。与作为单体的DHHC20相比，DHHC9的独特之处在于它必须与GCP16结合才能获得催化活性并保持其稳定性。GCP16对DHHC9的必要性的分子机制尚不清楚。此外，控制DHHC9-GCP16复合物活性的精确调控机制尚未阐明。

RAS棕榈酰转移酶的整体结构（图源自Nature Structural & Molecular Biology ）

人类DHHC9和GCP16分别通过酵母Erf2和Erf4蛋白序列在人类基因组数据库中检索得到。酵母Erf2-Erf4复合体是第一个被鉴定为DHHC酰基转移酶的酶，它催化RAS2的棕榈酰化，这是人类RAS蛋白的同源物。与DHHC9对GCP16的要求类似，辅助蛋白Erf4对于Erf2的催化活性和稳定性是必需的。Erf2-Erf4复合体作为半胱氨酸酰基转移酶已被鉴定20年；但其三维结构尚未见报道。

该研究测定了Erf2-Erf4复合物和DHHC9-GCP16复合物冷冻电镜结构，解释了为什么Erf2和DHHC9的催化活性分别需要辅助蛋白Erf4和GCP16。并发现了一种磷脂，它作为枢纽将TM2、TM3和DHHC9的II型脯氨酸(PPII)螺旋结合在一起。还在DHHC9的三个半胱氨酸残基上发现了棕榈酰化修饰，其突变显著降低了DHHC9 -GCP16复合物的催化活性。此外，还发现GCP16还可以作为DHHC14和DHHC18的辅助蛋白，DHHC14和DHHC18与GCP16配合也可以催化RAS棕榈酰化。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-023-01183-5

转自：“iNature”微信公众号

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