2013年7月26日,，《生物化學(xué)雜志》（The Journal of Biological Chemistry）以封面文章的形式刊登了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君研究組題為《秀麗線蟲性別決定蛋白FEM-2的結(jié)構(gòu)研究》（Structural insight into Caenorhabditis elegans sex-determining protein FEM-2）的研究論文，該論文同時還被精選為該雜志的“一周論文”,，同時在JBC網(wǎng)站上對本論文第一作者清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生張怡做了詳細的個人介紹,。楊茂君博士為本文的通訊作者。
在每年發(fā)表的6600多篇論文中,，JBC雜志會在其中遴選50-100篇學(xué)術(shù)水平和科學(xué)意義位于全部發(fā)表論文前1-2%的文章,，以“一周論文”的形式作特別推薦。楊茂君研究組本次被推薦的論文首次報道了線蟲性別決定的關(guān)鍵蛋白FEM-2的晶體結(jié)構(gòu),，并結(jié)合生化試驗闡述了該蛋白工作的分子機制,。
根據(jù)常染色體和性染色體的比例不同，秀麗線蟲可能會發(fā)育成雄性和雌雄同體共兩種性別,。大量的遺傳學(xué)研究已經(jīng)鑒定出一條控制線蟲性別決定的復(fù)雜的信號通路,。在這條通路中，fem-1,，fem-2和fem-3這三個基因?qū)τ谛坌园l(fā)育非常關(guān)鍵,。它們的編碼蛋白會形成一個FEM-1/2/3復(fù)合物，該復(fù)合物處于整個通路的中心地位,。其中,，F(xiàn)EM-2的C端是一個蛋白磷酸酶PP2C結(jié)構(gòu)域，而其N端則是一個與目前已知所有結(jié)構(gòu)域序列無任何相似性,、功能未知的結(jié)構(gòu)域,。遺傳學(xué)研究表明，F(xiàn)EM-2蛋白的N端及C端對于其促進雄性發(fā)育的功能都是必需的,，但其具體的分子機制卻一直不清楚,。
楊茂君研究組首先解析了FEM-2的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)比對表明,，盡管FEM-2的C端結(jié)構(gòu)域與其他已知的PP2C結(jié)構(gòu)域非常相似,，但其N端則與目前結(jié)構(gòu)已知的任何結(jié)構(gòu)域都不具有相似性，表明其N端代表了一種全新的折疊方式,。為了研究FEM-2的N端結(jié)構(gòu)域的功能,，他們首先通過體外去磷酸化實驗來檢測N端是否會影響C端的蛋白磷酸酶活性,。結(jié)果表明，N端結(jié)構(gòu)域在體外對于C端的活性沒有影響,。接下來,，他們分析FEM-2的N端是否參與介導(dǎo)FEM-1/2/3復(fù)合物的形成。免疫共沉淀實驗表明,，F(xiàn)EM-2的N端可以同時結(jié)合FEM-1和FEM-3,，而其C端則不具有這種功能。他們進一步對FEM-2的N端結(jié)構(gòu)域表面的保守氨基酸進行丙氨酸掃描（alanine scan）分析,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)N端的一塊帶負電的區(qū)域?qū)τ贔EM-2與FEM-1和FEM-3的結(jié)合非常關(guān)鍵,，從而獲得了FEM-1/2/3復(fù)合物結(jié)合方式的重要信息(圖2)。
值得一提的是,，其它物種也有一些與FEM-2類似,、含有“附加結(jié)構(gòu)域”的PP2C類蛋白。比如,，擬南芥中的ABI1,，ABI2以及KAPP這些PP2C蛋白都具有一個N端結(jié)構(gòu)域，而一般認為這些額外的結(jié)構(gòu)域的功能是調(diào)控酶活結(jié)構(gòu)域的活性,。楊茂君研究組的研究結(jié)果首次揭示了這種“附加結(jié)構(gòu)域”可以通過介導(dǎo)蛋白-蛋白相互作用的方式來調(diào)控整個蛋白質(zhì)復(fù)合物的功能,，而不是直接調(diào)控該蛋白的活性。這為理解這類含有“附加結(jié)構(gòu)域”的PP2C家族蛋白的功能具有非常重要的參考意義,。
上海同步輻射和北京同步輻射為晶體數(shù)據(jù)收集提供了及時有效的支持,。生命學(xué)院李蓬教授及薛定教授實驗室的成員也為本研究做出了突出的貢獻。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上項目“FEM蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能研究”的支持,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1074/jbc.M113.464339
PMC:
PMID:
Structural insight into Caenorhabditis elegans sex-determining protein FEM-2
Yi Zhang1, Haifeng Zhao1, Jia Wang1, Jingpeng Ge1, Yang Li1, Jinke Gu1, Peng Li1, Yue Feng2 and Maojun Yang1*
In the nematode Caenorhabditis elegans, fem-1, fem-2 and fem-3 play crucial roles in male sexual development. Among these three genes, fem-2 encodes a PP2C (serine/threonine phosphatase type 2C)-like protein, whose activity promotes the development of masculinity. Different from the canonical PP2Cs, FEM-2 consists of an additional N-terminal domain (NTD) apart from its C-terminal catalytic domain. Interestingly, genetic studies have indicated indispensible roles for both of these two domains of FEM-2 in promoting male development, but the underlying mechanism remains unknown. In the present study, we solved the crystal structure of full-length FEM-2, which revealed a novel structural fold formed by its NTD. Structural and functional analyses demonstrated that the NTD did not directly regulate the in vitro dephosphorylation activity of FEM-2, but instead functioned as a scaffold domain in the assembly of FEM-1/2/3 complex, the executioner in the final step of the sex determination pathway. Biochemical studies further identified the regions in the NTD involved in FEM-1 and FEM-3 interactions. Our results not only identified a novel fold formed by the extra domain of a non-canonical PP2C enzyme, but also provided important insights into the molecular mechanism of how the NTD works in mediating the sex-determining role of FEM-1/2/3 complex.
