原文献信息：Morreale, F.E. Tagging for degradation — bacteria do it too. Nat Rev Microbiol. (2024). 每个细胞，无论是真核细胞还是原核细胞，都有处理和清除蛋白质废物的机制。受损或不需要的蛋白质会被标记、识别，然后通过依赖能量的复杂机器降解。化学生物学家已经学会利用这种蛋白质降解机制来去除细胞中引起疾病的蛋白质。这是通过一些被称为PROTACs的小分子和“分子胶”来实现的，这些分子可以同时结合细胞蛋白质降解系统的部分和目标蛋白质。通过药物开发那些难以靶向的蛋白质，PROTACs和分子胶在制药领域引起了大量投资。一开始的关注点是人类细胞和癌症化疗，而细菌和抗生素的发现则被忽略了。早在2016年，Tim Clausen课题组在枯草芽孢杆菌中发现了通过磷酸化标记蛋白质以进行降解的现象。之所以靶向蛋白质降解技术没有被用于细菌，是因为细菌的蛋白质降解途径与人类细胞有很大不同。在2016年，Trentini和Suskiewicz等人发现了一种独特的细菌蛋白质降解途径，其概念类似于真核细胞中的泛素-蛋白酶体系统。具体来说，在这种途径中，底物通过磷酸化标记后，由一种叫ClpCP的能量依赖性蛋白水解复合物降解，这种复合物存在于革兰氏阳性细菌和分枝杆菌中。而这种磷酸化并不是常见的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸，而是精氨酸，这让它显得特别有趣。Trentini, D., Suskiewicz, M., Heuck, A. et al. Arginine phosphorylation marks proteins for degradation by a Clp protease. Nature, 539, 48–53 (2016). https://doi.org/10.1038/nature20122由于精氨酸磷酸化在酸性条件下不稳定，用传统的质谱技术研究它一直很困难。为了克服这一问题，Clausen实验室开发了一种特殊的方法，成功鉴定了数百个由精氨酸激酶McsB引入的磷酸精氨酸（pArg）位点。这让人很困惑，因为之前只知道McsB在热应激反应中磷酸化并抑制转录抑制因子CtsR。这一发现让研究人员进一步探索：“这种广泛的活性表明，蛋白质精氨酸激酶在革兰氏阳性细菌的应激反应中有着更普遍的作用。”由于McsB与蛋白水解复合物在转录上的共同调节，研究人员进一步探讨了pArg标记与蛋白质降解之间的联系。研究重点是ClpCP复合物，它由六聚体的解旋酶ClpC和丝氨酸蛋白酶ClpP组成，形成一个14聚体的蛋白水解笼，用于降解由ClpC解旋的底物。通过改变活性位点的丝氨酸，研究人员成功地将精氨酸磷酸化的肽捕捉在ClpP中，并通过在没有ClpC的细菌中重复实验，证明了这种识别和解旋依赖于ClpC。为了验证这种机制，他们在体外重建了这一系统。体外降解实验确认了McsB在精氨酸残基上磷酸化底物，而带有pArg标记的底物被ClpCP识别和降解。与之前认为ClpCP需要适配器蛋白激活的假设不同，这项研究表明，精氨酸磷酸化本身就足以引发细菌中的蛋白质降解。生物物理测量和pArg结合的ClpC N端结构的晶体结构进一步确认了这一机制。在革兰氏阳性细菌和分枝杆菌中，pArg结合位点保守，显示出一种“双极”结构，非常适合同时结合正电的胍基和负电的磷酸基。在每个ClpC N端结构域上有两个几乎相同的pArg结合位点，由于ClpC形成六聚体，每个活性ClpCP复合物共有12个pArg位点。这引出了一个问题：触发底物降解的最小标记位点数量是多少？答案是只需要一个。在这项研究中，Clausen实验室发现了一种独特的细菌蛋白质降解途径，其中简单的标记就能触发底物的识别、解旋和降解。这是一个真核细胞泛素-蛋白酶体系统的简化版，并且可能被小分子用于多种应用。“精氨酸磷酸化足以在细菌中引发降解。”这篇论文启发了Francesca Ester Morreale的下一步职业生涯。一年后Morreale加入了Clausen实验室，探索将靶向蛋白质降解技术应用于细菌的可能性，开发了小分子，称为BacPROTACs，可以重新编程ClpCP复合物。在这一概念验证研究之后，Morreale在弗朗西斯·克里克研究所建立了我的独立研究小组，以探索靶向蛋白质降解技术在抗生素研究中的应用。
