Nat Chem Biol | 刘磊/艾华松/潘漫合作揭示ASXL1单泛素化以“蛋白分子胶”模式变构激活PR-DUB活性的机制|亚基|介导|刘磊|复合物|活性|潘漫|艾华松|蛋白

蛋白质泛素化修饰调控真核生物细胞内几乎所有生理过程。除了通过蛋白酶体途径介导蛋白质降解外，泛素化翻译后修饰直接调节酶的催化活性。目前的经典模型认为，泛素介导的酶活性调控主要通过招募底物或直接诱导酶构象的显著变化来实现，且这种调控位点通常在空间上紧邻酶与底物的接触界面。Polycomb抑制性去泛素化酶（PR-DUB）复合物由催化亚基BAP1和辅助亚基ASXL1/2/3组成，特异性擦除核小体上H2AK119单泛素化修饰（H2AK119Ub），在维持基因组转录抑制平衡中起着至关重要的作用【1】。在细胞内， ASXL亚基自身的单泛素化修饰（如ASXL1 K351Ub ）能够显著增强PR-DUB的去泛素化活性【4】。 2023 年，中科院生物物理研究所的许瑞明和朱冰团队，及国外团队报道了PR-DUB特异性擦除核小体上 H2AK119Ub 的机制【2, 3】。然而，在这个模型中， ASXL1 K351 位点处在PR-DUB复合物远离核小体底物的位置。我们无法基于现有模型理解 ASXL1 K351Ub 修饰促进 PR-DUB 去泛素化活性的分子机制。

2026年1月 9日，清华大学刘磊教授、上海交通大学艾华松副教授及潘漫副教授团队在 Nature Chemical Biology 上发表了题为 Unique G luing E ffect of ASXL1 K351 M onoubiquitination S timulates the PR-DUB A ctivity 的文章。该研究综合蛋白质化学合成、冷冻电镜解析、分子动力学模拟、氢氘交换质谱、生化突变等，揭示了一种酶自身泛素化修饰作为“分子胶”，通过变构效应调节酶活性的独特机制。PR-DUB的辅助亚基ASXL1 K351单泛素化修饰不改变PR-DUB复合物与核小体底物结合亲和力（体现为K m 值无显著变化）的情况下，通过独特的 “蛋白胶” 效应桥接BAP1与ASXL1亚基，降低去泛素化酶催化口袋关键残基的构象波动并维持其空间完整性，从而变构激活PR-DUB的催化活性，显著提高其催化时的最大反应速率（ V max ）。

首先，研究人员利用团队发展的基于工程化UBE2E1 * 酶的化学酶促方法【5】，成功制备了具有位点特异性单泛素化的BAP1/ASXL1 K351Ub 复合物。再通过团队前期发展的蛋白质化学合成技术【6】，精准构建了以天然异肽键连接的H2AK119Ub核小体为底物进行去泛素化酶实验，进行定量生化分析发现ASXL1 K351Ub修饰显著激活 PR-DUB对 H2AK119Ub 核小体的去泛素化活性。

作者设计并合成了一种基于活性的去泛素化酶捕获探针（H2AK119Ub AT ）来捕获酶-底物复合物。这种化学合成的探针利用活化的二硫键探针将 H2AK119Ub 核小体与BAP1活性中心的催化半胱氨酸进行共价交联，从而将原本 “ 稍纵即逝 ” 的酶-底物动态结合过程转化为稳定的共价复合物。作者利用这一探针捕获了BAP1/ASXL1 K351Ub 与H2AK119Ub核小体的稳定复合物，并通过冷冻电镜解析了分辨率为3.12 Å的结构。作者观察到，PR-DUB在ASXL1 K351单泛素化修饰后，与未泛素化的结构（PDB 8H1T）相比【2】，在整体蛋白构象、底物结合模式等方面均无明显区别。位于ASXL1上的泛素Ub ASXL1-K351 处于远离酶-底物结合界面的位置，悬浮在核小体表面上方约23 Å处。与此前报道的泛素化调控酶活性的机制不同，这一泛素化修饰远离酶催化中心或酶-底物互作界面，表明一种新的调控机制。作者通过突变观察到的 Ub ASXL1-K351 与BAP1/ASXL1的互作界面并测试突变体活性，验证了这一泛素化修饰带来的互作界面的重要性。

随后，作者在两种非核小体底物（泛素化H2A短肽、Ub-AMC）上对泛素化前后的PR-DUB进行了活性测试，结果显示 ASXL1的单泛素化修饰以不依赖底物的方式增强了PR-DUB的去泛素化活性。同时，泛素化前后的PR-DUB对三种底物（H2AK119Ub核小体、泛素化H2A短肽、Ub-AMC）的结合力没有显著区别，但米氏方程的分析表明ASXL1的单泛素化显著增强了PR-DUB催化底物反应时的最大速率（V max ）。进一步的分子动力学（MD）模拟和氢氘交换质谱（HDX-MS）分析揭示了其变构激活的机制。MD模拟结果显示，ASXL1 K351单泛素化降低了催化口袋关键残基的构象偏差（平均RMSD 从3.29 Å降至2.39 Å），并使这些关键催化残基在92%的模拟时间内维持在有利于催化的活性构象，远高于未修饰状态下的56% 。这种“蛋白胶”的作用使酶在与底物结合前就已经预先锁定在高效催化的构象。这种通过优化酶复合物内部稳定性、而非通过界面招募来提升催化效率的机制，打破了以往对泛素调控酶活性机制的认知。

本研究首次揭示了泛素作为蛋白性分子胶水（Proteinaceous molecular glue）在变构酶活调节中的新机制【图1】。这一 “ 远端变构激活 ” 范式的发现，不仅深化了我们对染色质修饰酶精密调控的理解，也为未来开发针对 PR-DUB 突变相关疾病（如多种恶性肿瘤）的抑制剂提供了关键的理论支撑和结构靶点。

图 1 : 泛素化修饰增强PR-DUB去泛素化活性的机制示意图

清华大学化学系刘磊教授、上海交通大学药学院艾华松副教授和上海交通大学转化医学研究院潘漫副教授为本文的共同通讯作者。清华大学生命学院2022级博士生张天翊、化学系博士后郑济青、生命学院已毕业博士童泽彬（现马普所博士后）、化学系博士后邓智亨为本文共同第一作者。

团队长期招聘博士后，欢迎志同道合者加盟。

刘磊教授课题组研究蛋白质化学合成。发现了蛋白酰肼连接反应，发明了已被国际学术界与工业界普遍采用的蛋白质化学合成新方法即蛋白酰肼法，完成超过200种具有公认重要功能的蛋白质的高效合成，开启了国际蛋白质化学合成跨入超越500氨基酸的新时代，运用蛋白酰肼法人工合成蛋白质，突破了生物方法制备蛋白的局限，为生物医学及药物发现研究提供了关键技术，解答了诸如泛素E3连接酶连续性催化底物蛋白泛素化及链延伸的分子机制等若干公认具有挑战性的生物化学难题，完成了多个潜在蛋白靶点的创新药物概念确认和先导分子发现。（课题组网站： http://www.liulab-tsinghua.com/ ）

艾华松副教授课题组主要聚焦染色质泛素化的化学构建与调控机制的化学生物学研究。1）发展了系列化学辅基介导偶联的泛素化组蛋白合成策略，突破染色质泛素化精准构建的核心技术难题，实现了邻近位点双泛素化、泛素链修饰、泛素-磷酸双修饰等复杂泛素化修饰染色质的高效化学制备；2）开发了多种基于酶学反应机理的化学捕获探针，系统搭建染色质泛素化与去泛素化机制研究的方法学平台，阐明了泛素E3酶/DUB的底物识别与活性选择性机制；3）依托精准构建的染色质体系，揭示了滑膜肉瘤等疾病相关的染色质泛素化的新型调控机制。（课题组网站： https://www.x-mol.com/groups/ai_huasong ）

潘漫副教授课题组致力于通过化学生物学交叉技术，包括蛋白合成化学、蛋白探针组学、冷冻电镜等技术，发掘新型蛋白稳态调控过程，解析蛋白稳态调控过程的关键酶促分子机制，并期望推动新型靶向蛋白稳态类药物研发。具体展开方向包括 1）开发设计新型泛素修饰蛋白探针，运用探针工具解析泛素化修饰调控蛋白稳态的关键酶促分子机制，并基于机制理性设计新型靶向蛋白稳态的方法策略；2）发展精准泛素修饰蛋白获取方法，用于新型蛋白稳态调控过程发掘，为蛋白稳态调控药物分子开发提供新赛道。（课题组网站： https://www.x-mol.com/groups/panlab ）

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02126-5

制版人：十一

参考文献

1. Scheuermann, J. C. et al. Histone H2A deubiquitinase activity of the Polycomb repressive complex PR-DUB.Nature465, 243–247 (2010).

2 . Ge, W. et al. Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase.Nature616, 176-182 (2023).

3 . Thomas, J. F. et al. Structural basis of histone H2A lysine 119 deubiquitination by Polycomb repressive deubiquitinase BAP1/ASXL1.Sci. Adv. 9, eadg9832 (2023).

4 . Daou, S. et al. Monoubiquitination of ASXLs controls the deubiquitinase activity of the tumor suppressor BAP1.Nat. Commun.9, 4385 (2018).

5 . Wu, X. W. et al. Structure-guided engineering enables E3 ligase-free and versatile protein ubiquitination via UBE2E1.Nat. Commun.15, 1266 (2024).

6. Ai, H. S. et al. Examination of the deubiquitylation site selectivity of USP51 by using chemically synthesized ubiquitylated histones.ChemBioChem20, 221–229 (2019).

学术合作组织

（*排名不分先后）