COPII涂层大小和功能的泛素依赖性调控

COPII涂层大小和功能的泛素依赖性调控(1) 将来自内质网的新合成蛋白质转入到Component of the coat protein complex II (COPII)囊泡中是蛋白质分泌的必要条件。在细胞中，大部分COPII囊泡的直径大约60-80 纳米，但其中一些必须增加它们的大小来适应运载较大的蛋白，如300-400纳米的胶原蛋白 纤维或乳糜微粒。COPII功能受损会导致胶原沉积缺陷,CLSD ( Cranio-Lenticulo-Sutural Dysplasia)或乳糜微粒驻留病(Chylomicron retention disease)。然而现在科学家们对于COPII 涂层增大的机制还并不清楚。在这篇文章中，研究人员发现了 “泛素连接酶”CUL3-KLHL12 是COPII涂层形成过程中的一个调控因子。CUL3-KLHL12催化COPII的成分SEC31单泛 素化，促进了大COPII涂层的形成。所以，CUL3 - KLHL12泛素化对胶原质的输出是必不 可少的，然而对小货物(cargo)的运输作用并不明显。研究人员由此推论单泛素化作用调 控了 COPII囊泡的大小和功能。(2) 细胞外基质为诸如整合蛋白(integrin)等膜受体提供细胞粘附支架和结合位点， 这对于所有多细胞动物的发育均至关重要。当整合蛋白(integrins)与细胞外基质相结合时， 会激发调控细胞形态和分裂的信号级联反应。然而在缺乏功能性细胞外基质的情况下，整合 蛋白(integrins)会通过胞吞作用(endocytosis)与质膜分离。在早期发育过程中，整合蛋 白(integrins)与细胞外基质间适当的相互作用起着极为重要的作用，就如同干细胞借助整 合蛋白(integrin )依赖的信号途径维持细胞分裂和生存一样。(3) 细胞外基质的构建需要几种蛋白质，其中就包括它的主要成分胶原蛋白。胶原蛋 白在内质网合成后，依赖于COPII囊泡输送至细胞外，编码COPII蛋白的基因变异会导致 胶原沉着缺陷、骨骼畸形和诸如CLSD (Cranio-Lenticulo-Sutural Dysplasia)等发育性疾病。(4) COPII 囊泡包裹着一层由 SAR1、GTP 酶(GTPase) , SEC23 - SEC24 接头蛋白 (adaptor)组成的涂层，SEC13 - SEC31四聚体组成最外层。这些涂层蛋白组装成直径约为60-80纳米的十四面体结构，但这对于需容纳的长度为300-400纳米的前胶原纤维而言无疑 太小了。因此细胞内的胶原输送必须有体外自组装反应缺少的因子参与。实际上，TANGO1 (也被称为MIA3)和它的配体cTAGE5是通过与胶原和SEC23 - SEC24相互作用，招募胶原 到新生的COPII涂层。在小鼠中敲除Tango1会导致与COPII缺失相似的胶原沉积缺陷，人 类TANGO1突变与早发性心肌梗死相关。然而科学家们并不了解TANGO1调控COPII涂层 大小和使COPII涂层适应大货物的机制。(5) 通过分析小鼠胚胎干细胞(ES )的分裂，研究者已经确定”泛素连接 酶”CUL3 KLHL12是COPII涂层形成过程的一个调控因子。CUL3-KLHL12单泛素化 SEC31，促进了大COPII涂层的形成。因此，CUL3-KLHL12泛素化是胶原输出的必要条 件，对依赖整合蛋白(integrin)的小鼠干细胞(ES细胞)分裂起关键性的作用。研究人员 由此得出结论单泛素化作用调控了 COPII囊泡的大小和功能。CUL3调控小鼠干细胞形态(1) 为了提供对特定干细胞分裂网络的深刻理解，研究员们清空小鼠干细胞内的泛素酶， 获得了。UL3对小鼠干细胞增殖和形态的影响。研究员们发现，如果通过共焦显微镜分析肌 动蛋白和纽蛋白的定位(Fig. 1a)，会看到“泛素连接酶” CUL3缺失能引起小鼠干细胞(ES 细胞)形成带有显著的肌动蛋白锚索和异常粘附因子的紧凑红细胞群。耗竭UBA3 (类似于 E1泛素激活酶)可观察到一个相似的表型，一个活化“泛素连接酶” CUL3的NEDD8 (泛 素类蛋白)通路的成分(Supplementary Fig. 1a)。耗竭CUL3的小鼠胚胎干细胞增殖延缓 (Supplementary Fig. 1b, d)，但仍然保持它们的全能性，就像在表达分析中通过0CT4-碱 性磷酸酶染色分化标记物的情况下所看到的一样(SupplementaryFigs 1c, e, f and 2b)。 对于小鼠胚胎干细胞正好相反，耗竭CUL3对成纤维细胞有较弱的影响，尽管以前有报道过能 观察到多核化(SupplementaryFig. 1g; ref. 20)。(2) 一些观测表明，小鼠胚胎干细胞的表型是由特定的CUL3损耗引起的。首先，一些 短的干扰RNA以一种极低的效率与强表型之间的密切相关性，以CUL3信使RNA的不同区域为靶 标对小鼠胚胎干细胞具有相同的影响，(SupplementaryFig. 2a)。第二，微阵列分析显示 siRNA (一种小分子RNA)治疗使CUL3mRNA (信使RNA)剧烈减少，而对其它基因没有显著和 可重现性的影响(Supplementary Fig. 2b)。第三，瞄准相关蛋白的siRNA，如其它cullins (泛 素化连接酶家族之一)，不会扰乱小鼠胚胎干细胞的形态(Supplementary Fig. 2c)。(3) CUL3耗竭的小鼠胚胎干细胞的异常形态让人想起增加的能触发肌动蛋白丝集成 束的RhoA蛋白GTPase活性。因此，RhoA水平的减少或RhoA蛋白效应激酶ROCK1的抑制使 凝结的小鼠胚胎干细胞免遭损失(Supplementary Fig. 3a)。在几种可能性中，在缺乏CUL3 时，更高的RhoA蛋白活性导致RhoA蛋白的稳定性或有缺陷的整联蛋白信号传输。Mouse ES cetls3T3ControlsiCul3ControlstCu!3图1,CUL3调节小鼠胚胎干细胞的形态a,左边,D3小鼠胚胎干细胞被镀上明胶，使siRNA 转染到CUL3（siCul3）上，导致细胞集群（相位显微镜，上半部分）和细胞凝结（共焦显微 镜：纽蛋白，绿色；肌动蛋白，红色；DNA，蓝色）。右边，耗竭CUL3的小鼠3T3成纤维细 胞不会引起细胞凝结。相位图原始的放大率为10倍，荧光图像为40倍.b，CUL3需要整合定 位到小鼠胚胎干细胞的质膜上。D3小鼠的胚胎干细胞被镀上明胶（前两行），生长因子耗 竭的基底膜或IV型胶原。下面，用共焦显微镜（肌动蛋白，红色；整合蛋白bl，绿色；DNA， 蓝色）对CUL3损耗，细胞凝结和整合蛋白定位到质膜进行分析。放大倍数：为X40。（4）RhoA蛋白通过共耗竭所有特定RhoA蛋白CUL3接头蛋白来保持它的稳定性，如 BACURAs （一个全新的能够和Cul3相互作用，但功能未知的保守的8丁8蛋白家族），不会影 响小鼠胚胎干细胞的形态（数据未显示）。相比之下，耗竭整联蛋白信号传输通路的成分， 在小鼠胚胎干细胞内表行模拟CUL3的损失（补充图3 b）;CUL3水平的部分减少表明达沙替尼 的综合杀伤力，达沙替尼是作用于整合蛋白活化下游的SRC激酶的一种抑制剂（补充图3 c） 且CUL3耗竭的小鼠胚胎干细胞的质膜不存在整合蛋白p 1。（5）CUL3可以调节整合素的合成和转运，或者是允许有效的细胞外基质蛋白的沉积 而阻止整合素的内化。为了区分这些可能性，我们在生长因子缺失的人工基底膜基质培养了 小鼠胚胎干细胞以提供一个外源性的细胞外基质。严格的讲，在这些条件下，在cul3缺失的 小鼠胚胎干细胞质粒膜上发现整合素P 1且观察不到细胞群。因此，cul3控制小鼠胚胎干细 胞中整联蛋白信号，很可能是支持细胞外基质的功能的确立。KLHL12是小鼠胚胎干细胞中一个关键的CUL3接头蛋白（1） CUL3通过接头蛋白与BTB结构域衔接来招募底物，但是siRNA途径仍然对小鼠胚 胎干细胞内BTB蛋白有作用。作为分离CUL3接头蛋白的一个选择性策略，我们利用干细胞调 节阀在胚胎干细胞内高表达的观察报告，但与之不同的是抑制其分化来进行实验。使用亲和 纯化和质谱，我们鉴定了在小鼠胚胎干细胞内与CUL3互相影响的31BTB蛋白（补充图4a;补充 表1）。当采用定量的逆转录聚合酶链式反应qRT-PCR）与和免疫印迹，我们发现在小鼠胚 胎干细胞内高度表达但抑制其分化的三个接头蛋白，KLHL12, KBTBD8和IBTK（图2a,b和补 充图3d）。下一步，我们耗竭这些来自小鼠胚胎干细胞的接头蛋白，这些接头蛋白对用达沙 替尼治疗中整合蛋白信号传输的变化是很敏感的。重要的是，耗竭KLHL12但保留其它BTB蛋 白，会导致小鼠胚胎干细胞凝结，正如损耗CUL3时所看到的一样（图2c）。由此可知，内 源性的KLHL12能与小鼠胚胎干细胞内的CUL3有效的结合（补充图4b）。因而，这些实验验证 了KLHL12是小鼠胚胎干细胞内CUL3一个关键的酶作用物调控因子，且CUL3-KLHL12泛素连接 酶作为小鼠胚胎干细胞形态的一个重要的调控因子。CUL3单泛素化SEC31（1）为了分离CUL3-KLH12的底物，我们搭建了允许诱导表达KLHL12标记（Flag KLHL12） 的293T细胞系。通过亲和色谱法和质谱分析法，我们确定了 COPII蛋白S EC13和S EC31是 KLHL12的特定结合伙伴（图3a和补充表2）。免疫印迹证实了内源性SEC13和S EC31的保留 是在KLHL12纯化物中而不是在其它BTB蛋白的沉淀物中（补充图5 a）。正如在结合实验中看 到的一样，KLHL12直接结合SEC31，而不是SEC14 （补充图.5c,d），而且这种相互作用受 到SEC31的氨基末端（补充图，6a）和KLHL12的Kelch域的调解（补充图.6b）。在细胞中， 大约30%的内源性KLHL12是和SEC13-SEC31联系在一起的（图.36和补充图.5b）。符合这 样一个突出的相互作用，SEC13-SEC31和KLHL12在凸点（punctae）共存，这个点很可能代 表COPII囊泡的内质网出口点（图.3c）。更重要的是，损害COPII的siRNA导致小鼠胚胎干 细胞聚集（图.3d），表明CUL3-KLHL12和COPII涂层以相同的途径发挥作用。（2）在体外，CUL3-KLHL12催化SEC31 （图.3e）的单泛素化，如果一个带有一个 有缺陷的SEC31连接的KLHL12突变体的结合点被使用（图.3f），SEC31就不能被观察到。 SEC31也在细胞内被单泛素化，这将强烈增加KLHL12的表达（图.3g）。KLHL12突变体不能 结合SEC31，破坏了它的单泛素化（图.3h），这可能是由于二聚作用和内源性KLHL12失活 （图.3a和补充图.6c）。SEC31单泛素化大量减少了显性负性CUL3 （图.3g）的表达或者通 过siRNA （图.3i）耗竭CUL3-KLHL12。正如游离的赖氨酸泛素化的表达，SEC31以一种优选 的和一个可替代的，较少使用的游离的赖氨酸（图.3g）进行泛素化，符合了蛋白质生物学 分析，这也确定了游离的赖氨酸647和游离的赖氨酸1217在SEC31A内作为泛素化位点。然 而，无论是这些残基的突变体还是任何其他的65个被CUL3-KLHL12 （数据没有显示）阻塞 泛素化的SEC31的游离的赖氨酸残基，都没有在实际修饰位点中展现灵活性。（3）KLHL12和CUL3的共表达触发SEC31单泛素化和降解（图3g,4e和补充图.6d）， 因此观察不到游离的赖氨酸的泛素化（图.3g）。然而，SEC31被内源性CUL3-KLHL12单泛 素化，它的多泛素化只有当CUL3和KLHL12过度表达时才能看到。CUL3-KLHL12耗竭或蛋白 酶体抑制剂不改变在非转染细胞内的SEC31水平（图.3i和补充图.6e），并且泛素链形成阻 塞或者蛋白酶体抑制剂不损害CUL3-KLHL12的功能（见图.5）。因此，SEC31的多泛素化不 可能是小鼠胚胎干细胞内CUL3-KLHL12活动的一个关键结果。相反，它看起来像 CUL3-KLHL12以COPI I蛋白S EC31作为一个重要的底物，通过催化其单泛素化来发挥作用。财 5p登2 KM3 KM24 参站 s W25 Kb&dq W3 登22 s忘 0 KW BEg2 k mMl KW2 Kg富 Nanog OC&Actin/vinculin/DMA Phaseconlrocn一KM2 笑 bF-l-bdm图2： KLHL12是小鼠胚胎干细胞内CUL3的一种酶作用物接头蛋白。a,小鼠胚胎干细胞经 受分化，且表明蛋白质的mRNA水平是通过qRT-PCR.EB和胚体来测定的。？ b,KLHL12 蛋白抑制分化，正如上面样品中用免疫印迹观察到的一样C，KLHL12在小鼠胚胎干细胞 中是一个关键的CUL3接头蛋白。D3小鼠胚胎干细胞对用达沙替尼改变整合蛋白的信号传 输是很敏感的，所以用于通过相位显微镜（上半部分）或共聚焦显微镜监控细胞的凝结。（肌 动蛋白，红色；纽蛋白，绿色；DNA，蓝色）。放大倍数：X40。CUL3调控C OPII涂层的大小（1）为了确定通过CUL3-KLHL12单泛素化的作用，我们诱导KLHL12在细胞内表达 并且通过显微镜追踪SEC31的最终去路。KLHL12感应不久后，大多数KLHL12和SEC31 在小凸点上共存（punctae）（图.4a）。随着时间的推移，这些凸点长成能容纳绝大多数SEC31 的更大的结构，就像其他COPII成分，比如SEC13或SEC24C （图.4a,b）。如通过高分辨率 共聚焦成像中看到的一样，这个大的结构是空心的，直径为200-500nm的球形，且它们以 COPII涂层的蛋白装饰着，且带有KLHL12 （图.4c）。因此，薄片电子显微镜显示出大的， 新月形的小管，可能是内质网的原点，在细胞内转染KLHL12（图.4d）。免疫金标记电子显微 镜显示200-500nm以KLHL12装饰的类似的结构（图.4d）。这个KLHL12依赖性结构既不 包含一个高尔基体内侧蛋白、不在原骨胶原运输小泡中的ERGIC-53、不会堆积在内质网出 口位点的内质网膜标记，也不包含核内体或自噬体标记物（补充图.7a-c）。更重要的是，缺 乏SEC31结合的突变体，包括KLHL12 （FG289AA），既不与SEC31共存也不诱导大结构 的形成（图.4e和补充图.7d），并且SEC31耗竭后，通过KLHL12阻断的大结构的形成（图.4b）。因此，KLHL12与SEC31的结合触发包含COPII的大结构的形成。dAnti-FlagV Hag-KLHL12 F13O-KLHL9* KLHL1286013MarysFlag-KLHLBir -KLHL12 dnUL3 CULS KLHL12CL5LS-MED3e-R9)i1 -KU4L12 CULS-NKDe-RsyWestern blotuS-图 3/CUL3-KLHL12 单泛素化 SEC31。a,通过银染色法和质谱法分析KLHL12标记或者klh19标记的免疫沉淀反应。星状物，非特 异性条带；两个星状物，KLHL12的分解产物。b，SEC13是由（HeLa）海拉细胞分裂物免 疫沉淀来的，且SEC31和KLHL12是通过免疫印迹检测到的。c,KLHL12与COPII集中在 一起，正如在共焦显微镜中看到的一样（，KLHL12，绿色；SEC13，红色；DNA，蓝色）。原放大率60倍。d, D3小鼠胚胎干细胞生长在凝胶上和SEC13耗竭是通过（顶部）相位显微镜或者共焦显微镜对细胞凝结进行分析（肌动蛋白，红色；黏着斑蛋白，绿色；DNA， 蓝色）。原放大率 40 倍e,CUL3-KLHL12 单泛素化 SEC3LCUL3-NEDD8-RBX1 与 KLHL12, SEC13/31 和泛素（ubi）或者 His 泛素（His-ubi）一起培养。SEC31 通过 CUL3-KLHL12 或 者CUL3-KLHL12（FG289AA）（FG289AA）在体外的泛素化是如上述进行的。g,SEC31 在活生物体内单泛素化。上半部分，泛素结合物在变性条件下，从表达His-泛素，血凝素 -SEC31，KLHL12，CUL3或者显性负性CUL3（dnCUL3）的MG132处理的293T细胞被 纯化，并且通过反-SEC31免疫印迹分析。下半部分，同样的实验是用游离的赖氨酸His-泛素 完成的，游离的赖氨酸组氨酸泛素lysine-free His ubiquitin）只允许单泛素化的SEC31在 至少两个位点上（SEC31-ubi和SEC31-ubi*）。SEC31-ubi-n表示多泛素化SEC31。h,泛素 结合物从表达KLHL12或SEC31结合缺乏的KLHL12突变体的293T细胞被纯化。i，CUL3 是SEC31在活生物体内泛素化必不可少的物质。293T细胞是被组氨酸-泛素和siRNA转染， 且泛素结合物是通过免疫印迹对SEC31进行分析。KLHL12/ubi-KOKLHL 怕 sJCuia3h 5h 24 h 24hK1N12Kih!12f siCul3SEC31SEC31SEC13KLHL12SEC31KLHL12KLHL12KLHL12KLHL12-s n a ,a,京 H r.；R .*-4|K. i1 *tl *r-，-.-rl -yKLHL12ZE_lnoKLHL12/KLHL1CUL3图4/CUL3-KLHL12依赖性单泛素化使COPII结构增大。a,用共聚焦显微镜监控KLHL12标记的诱导型强力霉素（dox）（dox:Klhl12,绿色）和SEC31（红色）在293T细胞的定位。比例尺，3mm。b，用共聚焦显微镜对表达KLHL12的 HeLa细胞内的KLHL12 （绿色）和SEC31，SEC13或SEC24C （红色）进行分析。比例 尺，3m。c,用共聚焦显微镜分析 HeLa细胞内的COPII结构转染标记的KLHL12， 游离的赖氨酸泛素（ubi-K0）或Cul3-siRNA。比列尺，500nm。d,上半部分，表 达KLHL12或控制HeLa细胞的薄片电子显微像（红箭头，KLHL12依赖性结构；蓝箭头，小控制囊泡）。比例尺，500nm。下半部分，在短暂被转染的 HeLa细胞（左）或稳定的293T细胞（右）中的KLHL12的免疫金电子显微镜像。比例尺， 200nm。e,用共聚焦显微镜观察转染标记性 KLHL12，游离的赖氨酸泛素，标记性 KLHL12 （FG289AA），标记性CUL3 （1-250）或标记性 CUL3的HeLa细胞以分 析KLHL12/CUL3 （绿色）和SEC31 （红色）。放大倍数：40倍。当一个阻碍SEC31泛素化的CUL3突变体（CUL3（ 1-250）表达KLHL12时，COPII 结构不会增大（图.4e）。另外，被siRNA耗竭CUL3也能消除SEC31单泛素化，被KLHL12 阻止大型COPII结构的形成（图.4a,c）。？ ？相反，如果KLHL12表达游离的赖氨酸泛素 允许其单泛素化而不是多泛素化，大型COPII结构就很容易被检测到（图.4c,e），且这些结 构富集泛素，符合被非蛋白水解的单泛素化（补充图.7e）。因此，被CUL3-KLHL12单泛素 化促进大型COPII结构的形成，这可能代表内质网出口位点的新生涂层和大型COPII囊泡 或小管的开始发育的涂层的混合物。CUL3需要胶原蛋白的输出我们的掩蔽物将CUL3-KLHL12联系到干细胞细胞外基质的建立需要胶原蛋白的分泌。因 此，依赖型CUL3-KLHL12增加COPII的大小可能会促进胶原蛋白从内质网输出。为了测 试这个假设，我们在IMR90细胞内表达KLHL12，低效率的输出导致以一个稳定的状态在 内质网内积累胶原蛋白。引人注目的是，并不是KLHL12 （FG289AA）或不相关的BTB蛋 白，而是KLHL12引发细胞内的内质网池的原胶原I的枯竭（图.5a）。因此，在表达KLHL12 细胞的上层清液中发现胶原蛋白的水平增加，而不是KLHL12 （FG289AA）（图.5b）。当布 雷菲德菌素A抑制分泌，或者如果胶原蛋白在内质网折叠受抗坏血酸盐从中间物中的移动 的破坏，胶原蛋白保持在表达KLHL12的细胞内（图.5a）。时间分辨实验结果表明KLHL12 强烈加速胶原蛋白从IMR90细胞输出（图.5c）。诱导分泌不久后，KLHL12和胶原蛋白在重 叠位置被检测到（补充图.7f），所有这些表明CUL3-KLHL12促进胶原蛋白从内质网运输。被显性负性CUL3阻塞SEC31泛素化干扰依赖型KLHL12从IMR90细胞输出（补充 图.8a）。同样，耗竭工程化HT1080纤维肉瘤细胞的KLHL12严重破坏胶原蛋白的输出，并 且大多数细胞在它们的内质网内保留高水平的胶原蛋白（图.5d和补充图.8b）。相反，更小 的COPII货物，比如纤连蛋白或EGF受体，在缺乏CUL3时正确地定位（补充图8c,d）0 在 小鼠胚胎干细胞内可观察到类似的现象，其中耗竭CUL3导致一个强大的IV型胶原蛋白在 细胞内的累积，这类似于损失 SEC13后观察到的效果（图.5e和补充图.8e）。因此， CUL3-KLHL12需要胶原蛋白的输出，而胶原蛋白对小型COPII货物的运输不是那么重要。KLHL12 FG289AAKLHL12/ no asco.ZQ- 3 = 00 、号工-JMKLHL12/BFAKEAP1 GFP KLHL12KLHL12/ChloroquineL KLHL12/MG132 FG289/290AA3 KLHL12rK)ascorbate KLHL12/BFA KEAP1FG2B9AAVectorKLML12Wtem blotCollagen ITubulinGFP/shCui3 Collagen IPDI shCut3-2PDI/coll agen 110060604020pSuper shCuE3-1图5/CUL3-KLHL12促进胶原蛋白的输出a，用共聚焦显微镜分析转染了标记性KLHL12,标记性KLHL12（FG289AA域标记性 KEAP1的IMR90细胞（BTB,绿色；I型胶原蛋白，红色；DNA，蓝色）。当记下， 用氯喹处理细胞，MG132,布雷菲德菌素A（BFA）或渗出的中间体缺乏抗坏血酸盐。 误差线，标准偏差，n=3o放大倍数：60倍。b,通过免疫印迹法对转染标记性KLHL12 或标记性KLHL12CFG289AA）的IMR90细胞的细胞溶解产物（L）或细胞培养液（M） 进行分析。C，在重新增加抗坏血酸盐后，分析表达KLHL12的IMR90细胞内I型 胶原蛋白的定位。放大倍数：40倍。D，用共聚焦显微镜分析转染了对抗CUL3的 shRNA的，稳定表达I型胶原蛋白的HT1080细胞（转染控制绿色荧光蛋白（GFP）， 绿色；蛋白二硫化物异构酶（PDI），蓝色；I型胶原蛋白，红色）。误差线，标准 偏差n=3.放大倍数：60倍。e,把小鼠胚胎干细胞内的cul3或sec13作为目标，用 控制siRNA或siRNAs处理，且用共聚焦显微镜进行分析（IV型胶原蛋白，绿色； 肌动蛋白，红色；DNA，蓝色）。放大倍数：40倍。如果促进胶原蛋白输出是CUL3在小鼠胚胎干细胞的关键作用，增加反式胶原蛋白可能 会缓解CUL3表型耗竭。事实上，这是这样的：当小鼠胚胎干细胞被镀上纯化的IV型 胶原蛋白，耗竭CUL3不会引起细胞聚集，且在血浆膜能检测到整合蛋白01 （图.1b） o 我们的结论是促进胶原蛋白分泌是CUL3的一个功能，这与它驱动大型COPII涂层组装 的作用是一致的。讨论在这项研究中，我们已经确定CUL3-KLHL12是胶原蛋白输出的一个必要调节因子，这需要小鼠胚胎干细胞的分裂。耗竭老鼠的CUL3导致早期胚胎致死带有完全紊乱的胚胎 外组织，这是一个在一定程度上归因于它的胶原蛋白分泌作用的表型。此外，KLHL12 已经被确认为结缔组织混乱干燥综合征的一种自身抗原，增加了 CUL3-KLHL12的异常 功能可能与疾病相关的可能性。CUL3-KLHL12单泛素化SEC31和促进大型COPII涂层的形成能容纳不同形状的货 物。因此，CUL3对原胶原纤维的分泌是至关重要的，而对诸如纤连蛋白，EGF受体或 整合蛋白b1这些更小或更灵活的微粒的运输是不必要的。因此，CUL3-KLHL12似乎是 依赖型COPII运输大型货物的特定需求。泛素化怎样影响COPII涂层大小和结构是未知的。SEC31的65个赖氨酸残基中， 没有一个是CUL3-KLHL12泛素化必不可少的，这表明如果主要位点被阻塞了，CUL3 可以选择性的以赖氨酸残基为靶标。尽管有了这些灵活性，CUL3-KLHL12不会按化学 计量比使SEC31泛素化。因此，如果SEC31泛素化表现出一个结构的角色，很少的泛 素分子必须使生产大型COPII涂层得到满足，而且这些囊泡必须容忍在修饰位点内相 当大的变化。另外，正如经常看到的单泛素化蛋白，修饰SEC31可能招募到一个延迟 COPII萌发或促进涂层聚合的效应因子。由于CUL3-KLHL12泛素化其它蛋白，SEC31 不可能是这个分泌途径的唯一酶作用物。识别全套的CUL3-KLHL12酶作用物和可能的 效应分子应该揭露依赖型泛素调控囊泡大小的根本机制。我们的发现有被翻译成治疗策略的可能。我们预想CUL3-KLHL12的激动剂能减轻 CLSD （ Cranio-Lenticulo-Sutural Dysplasia）中Sec23A的突变和乳糜微粒潴留性疾病中 Sari的突变。相比之下，干扰CUL3活动可能抵消在纤维化或瘢痕疙瘩形成期间胶原 沉积的增加。由于在CUL3耗竭的小鼠胚胎干细胞内观察到强聚集表型，CUL3-KLHL12 抑制剂可能损害转移性细胞的扩散，这显示未分化细胞的特性。因此，我们对 CUL3-KLHL12作为COPII大小和功能的一个调节因子的鉴定为理解和在蛋白质运输 的临床开发关键事件提供了一个令人激动的起点。研究方法概要对于干细胞培养，小鼠D3 ES细胞是维持在含有15%FBS，1x丙酮酸钠，1x非必需氨基 酸，1mM8 -巯基乙醇和1000 p ml-1白血病抑制因子（Millipore）的GIBCO Dulbecco s Modified Eagle ES细胞培养基。多西环素诱导的293T Trex Flag BTB稳定细胞系是由 FLP-T-REX293细胞株系统构成的并且维持在杀稻瘟菌素和潮霉素中。筛选，两个siRNA寡核苷酸被设计对抗40小鼠的泛素连接酶（Qiagen公司）。siRNA 寡核苷酸（10pmol）和脂质体2000预孵育在明胶包被的96孔板中。D3小鼠ES细胞接种 于每孔15,000个细胞的siRNA混合物的顶部，并且ES细胞集落的形态在转染后48小时明 视场显微镜下进行了检查。要确定CUL3 -KLHL12的底物，诱导型强力霉素 239T细胞系表达Flag-KLHL12或 Flag-KLHL9需要被诱导48小时。澄清的裂解液经历抗Flag M2亲和凝胶实验（Sigma公司）， 沉淀物与33Flag肽（Sigma）一起被洗脱。浓缩的洗脱物用SDS-PAGE进行了分析，并由 文森特J.科茨蛋白质组学/质谱实验室通过质谱分析确定特定频段。对于在体外的泛素化反应，CUL3/RBX1从Sf9细胞的纯化是用重组 APPBP1-UBA3，UBC12 （也称为UBE2M）和 NEDD8来结合NEDD8的。从大肠杆菌的 KLHL12的纯化和从Sf9细胞纯化的SEC31A-SEC13复合物一起加入混合能源，E1，UBCH5C （也称为UBE2D3）泛素化并在30uC下培养1小时。对于共聚焦显微镜，固定在多聚甲醛中并用Triton X-100透化的细胞在初级抗体中培养2 小时和Alexa标记的二次抗体中培养1小时（Invitrogen公司。图片是用Zeiss LSM 510和 710的共聚焦显微镜拍摄的并用LSM图像浏览器和Imaris三维成像处理软件进行分析。图 像经对比度增强处理以去除噪声。