北京师范大学生命科学学院邱小波-姜天霞团队与北京大学生命科学学院高宁-李宁宁团队合作，利用细胞生物学、分子生物学以及生物化学等实验手段揭示了巨型泛素化酶BIRC6/BRUCE（~530 kDa）维持细胞凋亡和自噬间平衡的重要调控机制，并通过冷冻电镜技术解析了BIRC6与促凋亡蛋白Smac/DIABLO的复合物结构。该成果已于2024年1月30日在Nature Communications在线发表，题为“Molecular mechanisms underlying the BIRC6-mediated regulation of apoptosis and autophagy”(Liu et al., Nat Commun, Published online: 30 January 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-45222-1)。邱小波教授、高宁教授和李宁宁研究员为该文的共同通讯作者，北师大生科院博士生刘硕硕、副教授姜天霞等5人为共同第一作者。其预印本于2022年发表在bioRxiv (Liu et al., 2022, doi: https://doi.org/10.1101/2022.12.10.519866)。 2023年，Science同时发表了三篇其他国际同行关于BIRC6-Smac的复合物冷冻电镜结构，与他们电镜部分的结果完全一致（Hunkeler et al., Science, 2023; Dietz et al., Science, 2023; Ehrmann et al., Science, 2023）。
凋亡是一种复杂且受精密调控的程序性细胞死亡，与个体发育及神经退行性疾病和癌症等各种疾病发生发展密切相关。细胞自噬则是在饥饿、感染等不利应激条件下对蛋白质、损伤细胞器和病原体等降解的过程，与细胞凋亡间存在复杂的相互作用，共同决定细胞命运。在特定条件下，细胞自噬可促进细胞存活，抑制细胞凋亡。因而，揭示这两种途径间的平衡机制至关重要，是对细胞生与死较量机制的诠释。邱小波教授早在20年前发现BIRC6是一种凋亡抑制蛋白，并且是在迄今发现的8种人类凋亡抑制蛋白中唯一必需的，在凋亡发生时被泛素连接酶（E3）Nrdp1介导的泛素-蛋白酶体途径降解（Qiu et al., EMBO J, 2004）。接着，他和国际同行发现，在正常情况下，BIRC6同时作为泛素耦合酶（E2）和泛素连接酶使促凋亡蛋白Smac和凋亡效应蛋白酶（如caspase-3）泛素化并被蛋白酶体降解，最终抑制细胞凋亡 (Qiu et al., JBC, 2005)。随后，他的团队又发现BIRC6不仅抑制凋亡，而且在特定应激条件下促进自噬关键蛋白LC3-II前体LC3-I的降解，进而抑制细胞自噬（Jiang et al.，PNAS，2019），提示BIRC6可能是细胞凋亡及自噬间平衡的关键调控因子。邱小波-高宁合作团队的该项研究发现，BIRC6还可结合凋亡起始蛋白酶procaspase 9。Smac不能抑制BIRC6与procaspase 9的结合，但可抑制BIRC6与促凋亡蛋白酶HtrA2和凋亡效应蛋白酶caspase 3的结合。同时，BIRC6可有效抑制procaspase 9的蛋白酶活性，而对效应蛋白酶caspase 3活性抑制较弱，说明BIRC6主要作用于凋亡通路的上游。为进一步阐明BIRC6的作用机制，他们得到了分辨率为3.6 Å的BIRC6冷冻电镜结构，揭示BIRC6形成一个反向平行的U型二聚体。重要的是，BIRC6与Smac，而不是其它促凋亡蛋白，在正常条件下的细胞内形成相对稳定的复合物结构，提示Smac与BIRC6的相互拮抗可能在细胞凋亡调控中起着关键作用。最后，他们利用人工智能软件AlphaFold 预测发现，二聚体BIRC6中阻碍LIR基序结合LC3的区域与BIRC6中BIR结构域结合Smac的位点相重合，从而可能解释为什么BIRC6能在细胞凋亡和自噬平衡中起关键作用。
BIRC6平衡细胞凋亡和自噬的分子机制模式图
BIRC6的突变或过表达与各种癌症相关。这项研究结果不仅揭示了BIRC6如何响应不同刺激而调控凋亡与自噬平衡的分子机制，也有助于发现相关疾病的治疗靶点。该研究受到科技部国家重点研发计划项目，国家自然科学基金委员会原创探索计划项目、重点项目等资助。