期刊：Science
链接：https://doi.org/10.1126/science.adv7088
前言RAS蛋白是一类小GTP酶，作为分子开关调控细胞增殖、分化等关键过程。RAS的异常激活（如突变导致持续GTP结合）是多种癌症（如胰腺癌、肺癌）的驱动因素。为了维持RAS信号的正常水平，细胞通过多种机制调控RAS蛋白的稳定性，其中之一就是泛素-蛋白酶体系统。LZTR1 是一个E3泛素连接酶复合物（Cullin3-RING E3 ligase, CRL3^LZTR1）中的底物识别亚基，能识别特定RAS蛋白并促进其降解。
泛素化是细胞内蛋白质降解的关键标记机制，需E1、E2和E3三类酶协作。E3连接酶负责识别目标蛋白并催化泛素标记。LZTR1能精准识别失活的RAS蛋白，引导E2-泛素复合物对其进行修饰，使其被降解。这有助于维持细胞RAS信号平衡，也为开发RAS蛋白靶向降解药物提供了新思路。
近日，美国国家癌症研究所Dhirendra K. Simanshu和纽约大学格罗斯曼医学院Pau Castel团队合作，系统地揭示了 LZTR1 如何特异性识别并促进 RAS GTPases 的泛素化降解的分子机制，并提示了一种通过“分子胶”策略降解致癌 KRAS 的可能途径。该研究以“Structural basis for LZTR1 recognition of RAS GTPases for degradation” 为题发表在《Science》上。
结构生物学揭示识别机制
ITC证实LZTR1特异性识别GDP结合的RAS蛋白
使用等温滴定量热法（ITC）证实LZTR1只与GDP结合状态的RAS蛋白（RIT1、MRAS、KRAS等）结合，不与GTP类似物（GMPPNP）结合。其中对GDP结合的RIT1和MRAS亲和力更强，对经典RAS异构体（HRAS、KRAS、NRAS）的亲和力较弱。
解析LZTR1与GDP结合的RAS蛋白结构
通过晶体学方法解析了LZTR1与GDP结合的RIT1、MRAS及KRAS突变体（T35A/E62A）的复合物结构。结构对比显示，GTP结合状态下的RAS GTPases的开关区域构象与LZTR1的结合界面不兼容，这解释了LZTR1对GDP结合态的严格偏好。这些发现揭示了LZTR1识别RAS GTPases的分子机制，并为后续的实验提供了结构基础。
图1. LZTR1与GDP结合的RAS蛋白相互作用的结构基础
RIT1的开关I（残基48-56）和开关II（残基78-93）与LZTR1的Kelch模体形成广泛的接触，埋藏了约2200 Ų的表面面积。这些接触通过15个氢键和4个盐桥稳定复合物。通过ITC、Pull-down实验和降解实验验证了关键残基在复合物形成中的关键作用。尽管RIT1、MRAS和KRAS的结合模式保守，但细微的界面残基差异导致了不同的结合亲和力。这些结果进一步揭示了LZTR1与RAS GTPases相互作用的分子细节。
图2. RIT1与LZTR1相互作用的分子基础
三种LZTR1突变导致疾病发生
对于LZTR1突变，根据结构-功能分析，可以将它们分为三种类型：
直接破坏与RIT1的相互作用（如G248R）
通过破坏结合环稳定性间接破坏RIT1结合（如R284C）
破坏Kelch结构域之间的界面（如M400R）
这些突变导致LZTR1功能丧失，RAS蛋白积累。
图3. LZTR1疾病相关突变的机制见解
细胞和动物模型验证LZTR1缺失结果
LZTR1的G248R突变模拟了LZTR1缺失的表型，导致胚胎致死和RAS信号异常，进一步表明RAS GTPases是LZTR1-Cullin3-RING E3泛素连接酶复合物的主要底物。
图4. LZTR1的G248R突变在细胞和小鼠模型中模拟LZTR1缺失
转化价值：LZTR1的“分子胶”
这项研究不仅揭示了LZTR1如何精准识别和降解RAS蛋白，还为开发新的治疗策略提供了可能的靶点。研究人员发现，通过增强KRAS与LZTR1的亲和力的突变，可以作为开发分子胶的蓝图，促进LZTR1-RAS复合物的选择性降解，从而抑制RAS致癌蛋白的活性。
例如，KRAS的T35A和E62A突变可以显著增强其与LZTR1的结合，从而促进KRAS的降解。这种策略有望为RAS驱动的癌症治疗提供新的思路。
总结该研究通过结构生物学、生物化学和细胞功能实验相结合，首次揭示了LZTR1如何特异性识别GDP结合的RAS蛋白并促进其降解的分子机制，不仅深化了对RAS调控网络的理解，也为治疗RAS驱动型疾病（如癌症）提供了新的靶向降解策略。