Science丨解锁 eIF2B：首次揭示整合应激反应如何真正被终止|eif|亚基|复合物|应激反应|磷酸化|细胞|翻译

撰文丨亦

细胞在面对环境压力（如缺氧、病毒感染、营养缺乏）时，会迅速动员一系列应激反应，以降低蛋白翻译、维持稳态并促进生存【1，2】。整合应激反应（ Integrated Stress Response ，ISR）是一种核心调控途径，其关键事件是 eIF2α 的 S52 位点被磷酸化（ P-eIF2α ）【3】。磷酸化后的 eIF2 会抑制负责 GDP→GTP 转化的关键酶 eIF2B ，从而减弱蛋白质翻译启动，该通路在细胞生理与疾病中都至关重要【4，5】。然而 ISR 的利弊同存：激活能保命，持续则致死【6，7】。研究已知激活 ISR 的机制，但在压力解除后，细胞如何终止 ISR 并成功恢复翻译？这是该领域长期未解决的核心科学问题。尤其是当 P-eIF2 与 eIF2B 结合后，其关键的磷酸化位点被深度 “ 埋藏 ” ，理论上应难以被磷酸酶接触，这使得 ISR 的关闭机制多年来保持未知状态。

近日，来自剑桥大学分子生物学实验室的Anne Bertolotti团队在 Science 上发表了题为

Termination of the integrated stress response

的文章。作者利用内源纯化的大型复合物、单颗粒冷冻电镜结构解析、突变实验与生化功能分析，揭示了一个此前未知的关键步骤： eIF2 蛋白磷酸酶的调节亚基 R15B （ PPP1R15B ）不仅能抓取被 eIF2B 牢牢夹住的 P-eIF2 ，还能 “ 解锁 ” 其被遮蔽的磷酸化位点，使其在 eIF2B 上得到去磷酸化，最终恢复翻译。

作者首先从 “ 细胞为什么需要 R15B” 出发进行了分析。过去研究普遍假设去磷酸化的底物是游离的 P-eIF2 。然而，本研究通过对细胞中内源性复合物进行纯化，发现 R15B 并不是与自由的 P-eIF2 结合，而是与 P-eIF2–eIF2B 抑制复合物一起被共纯化出来，同时复合物还包含 PP1 。这表明在真实细胞环境中， R15B 的底物是 “ 被 P-eIF2 抑制的 eIF2B” 本身，而非游离的 P-eIF2 。只有当 R15B 将 P-eIF2 从 eIF2B 的抑制中解放出来， eIF2B 才能重新执行 GDP/GTP 交换功能，因此翻译启动才能恢复。

随后，作者解析了两个关键冷冻电镜结构： ① 活性态的 eIF2–eIF2B 催化复合物； ② 抑制态的 P-eIF2–eIF2B–R15B 复合物。结构揭示 R15B 通过其 **H1 、 H2 以及 docking loop （锚定环） ** 共同形成一个 “ 夹钳 ” 样结构，抓住 eIF2γ 并将整个 P-eIF2 亚基拉至 raised conformation （升高构象）。这种构象中，原本深埋在 eIF2B 抑制位点内部的 P-S52 位点被显著提升并暴露，从而变得可被 PP1 接近。换言之，R15B既是负责底物招募的“recruiter”，又是通过构象牵引暴露磷酸化位点的“enabler”，为去磷酸化创造必要的前提条件。

进一步的功能实验表明， R15B 之所以能够促成去磷酸化，不仅因为它提升了 P-eIF2 的构象，还因为它的 C 端 PP1 结合位点是必需的。只有完整的、能够招募 PP1 的 R15B 才能促成 P-eIF2 的去磷酸化。文章利用 KATA 突变破坏 PP1 招募，结果发现该突变体能够捕获大量 P-eIF2–eIF2B 复合物，但完全无法实现去磷酸化，证明 PP1 招募是去磷酸化发生的决定步骤。一旦 P-eIF2 的磷酸被去除，复合物便从抑制构象转回催化构象，使 eIF2B 恢复 GDP/GTP 交换活性，从而重新启动翻译。该结果首次明确 ISR 的终止在 eIF2B 上直接完成，而非在游离 eIF2 上发生。

最后，作者提出了一个三步机制模型：

① R15B 抓取被 eIF2B 紧紧固定的 P-eIF2 ； ② 借助 H1/H2/docking loop 将其牵引到 raised 构象，使 P-S52 得到暴露； ③ 通过其 C 端的 KVTF 位点招募 PP1 ，使其能够直接在 eIF2B 上去磷酸化 P-eIF2 。

完成这三步后， ISR 从 “ 抑制状态 ” 切换至 “ 恢复状态 ” ，翻译重新启动。文章还揭示 eIF2Bγ 存在一个保守的 GTP-binding pocket ，并指出这是白质消失症相关突变的富集热点。此外，文章对 R15B 的分析也说明，许多大型不规则结构的 PP1 调节亚基可能都依赖类似的 “ 构象暴露 + 底物递送 ” 机制。这些发现不仅给出 ISR 终止的完整结构机制，也为未来靶向 eIF2B 或 R15B 的药物开发提供理论基础。

总的来说，本研究首次证明ISR的终止并不发生在游离的P-eIF2上，而是发生在被其抑制的eIF2B复合物上。 R15B 作为关键调节亚基，通过招募底物、牵引构象并招募 PP1 ，使 eIF2B 得以在复合物内部完成 P-eIF2 的去磷酸化，从而解除翻译抑制。该工作不仅为几十年来未解的ISR终止机制提供了结构与功能上的完整解释，也揭示了eIF2Bγ的GTP-binding pocket及其疾病突变热点，为神经疾病、衰老与代谢疾病中ISR靶向干预提供了重要突破性基础。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw5137

制版人：十一

参考文献

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3. H. P. Harding, Y. Zhang, H. Zeng, I. Novoa, P. D. Lu, M. Calfon, N. Sadri, C. Yun, B. Popko, R. Paules, D. F. Stojdl, J. C. Bell, T. Hettmann, J. M. Leiden, D. Ron, An integrated stress response regulates amino acid metabolism and resistance to oxidative stress.Mol. Cell11, 619–633 (2003).

4. L. M. Luh, A. Bertolotti, Potential benefit of manipulating protein quality control systems in neurodegenerative diseases.Current Opinion in Neurobiology61, 125–132 (2020).

5. M. Costa-Mattioli, P. Walter, The integrated stress response: From mechanism to disease.Science368 (2020).

6. R. S. Ranu, I. M. London, Regulation of protein synthesis in rabbit reticulocyte lysates: purification and initial characterization of the cyclic 3’:5’-AMP independent protein kinase of the heme-regulated translational inhibitor.Proc. Natl. Acad. Sci.73, 4349–4353 (1976).

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（*排名不分先后）