2013年7月26日,，《生物化學雜志》（The Journal of Biological Chemistry）以封面文章的形式刊登了清華大學生命科學學院楊茂君研究組題為《秀麗線蟲性別決定蛋白FEM-2的結構研究》（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生命科學學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篇學術水平和科學意義位于全部發(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鍵蛋白FEM-2的晶體結構，并結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。大量的遺傳學研究已經(jīng)鑒定出一條控制線蟲性別決定的復雜的信號通路,。在這條通路中,，fem-1，fem-2和fem-3這三個基因對于雄性發(fā)育非常關鍵,。它們的編碼蛋白會形成一個FEM-1/2/3復合物,，該復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結構域,，而其N端則是一個與目前已知所有結構域序列無任何相似性、功能未知的結構域,。遺傳學研究表明,，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的晶體結構,。結構比對表明，盡管FEM-2的C端結構域與其他已知的PP2C結構域非常相似,，但其N端則與目前結構已知的任何結構域都不具有相似性,，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端結構域的功能，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,。結果表明,，N端結構域在體外對于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FEM-1/2/3復合物的形成,。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端結構域表面的保守氨基酸進行丙氨酸掃描（alanine scan）分析，結果發(fā)現(xiàn)N端的一塊帶負電的區(qū)域對于FEM-2與FEM-1和FEM-3的結合非常關鍵,，從而獲得了FEM-1/2/3復合物結合方式的重要信息(圖2),。
值得一提的是，其它物種也有一些與FEM-2類似,、含有“附加結構域”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端結構域,，而一般認為這些額外的結構域的功能是調控酶活結構域的活性。楊茂君研究組的研究結果首次揭示了這種“附加結構域”可以通過介導蛋白-蛋白相互作用的方式來調控整個蛋白質復合物的功能,，而不是直接調控該蛋白的活性,。這為理解這類含有“附加結構域”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基金委面上項目“FEM蛋白質復合物結構與功能研究”的支持。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1074/jbc.M113.464339
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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.
