2013年7月26日，《生物化学杂志》（The Journal of Biological Chemistry）以封面文章的形式刊登了清华大学生命科学学院杨茂君研究组题为《秀丽线虫性别决定蛋白FEM-2的结构研究》（Structural insight into Caenorhabditis elegans sex-determining protein FEM-2）的研究论文，该论文同时还被精选为该杂志的“一周论文”，同时在JBC网站上对本论文第一作者清华大学生命科学学院博士生张怡做了详细的个人介绍。杨茂君博士为本文的通讯作者。
在每年发表的6600多篇论文中，JBC杂志会在其中遴选50-100篇学术水平和科学意义位于全部发表论文前1-2%的文章，以“一周论文”的形式作特别推荐。杨茂君研究组本次被推荐的论文首次报道了线虫性别决定的关键蛋白FEM-2的晶体结构，并结合生化试验阐述了该蛋白工作的分子机制。
根据常染色体和性染色体的比例不同，秀丽线虫可能会发育成雄性和雌雄同体共两种性别。大量的遗传学研究已经鉴定出一条控制线虫性别决定的复杂的信号通路。在这条通路中，fem-1，fem-2和fem-3这三个基因对于雄性发育非常关键。它们的编码蛋白会形成一个FEM-1/2/3复合物，该复合物处于整个通路的中心地位。其中，FEM-2的C端是一个蛋白磷酸酶PP2C结构域，而其N端则是一个与目前已知所有结构域序列无任何相似性、功能未知的结构域。遗传学研究表明，FEM-2蛋白的N端及C端对于其促进雄性发育的功能都是必需的，但其具体的分子机制却一直不清楚。
杨茂君研究组首先解析了FEM-2的晶体结构。结构比对表明，尽管FEM-2的C端结构域与其他已知的PP2C结构域非常相似，但其N端则与目前结构已知的任何结构域都不具有相似性，表明其N端代表了一种全新的折叠方式。为了研究FEM-2的N端结构域的功能，他们首先通过体外去磷酸化实验来检测N端是否会影响C端的蛋白磷酸酶活性。结果表明，N端结构域在体外对于C端的活性没有影响。接下来，他们分析FEM-2的N端是否参与介导FEM-1/2/3复合物的形成。免疫共沉淀实验表明，FEM-2的N端可以同时结合FEM-1和FEM-3，而其C端则不具有这种功能。他们进一步对FEM-2的N端结构域表面的保守氨基酸进行丙氨酸扫描（alanine scan）分析，结果发现N端的一块带负电的区域对于FEM-2与FEM-1和FEM-3的结合非常关键，从而获得了FEM-1/2/3复合物结合方式的重要信息(图2)。
值得一提的是，其它物种也有一些与FEM-2类似、含有“附加结构域”的PP2C类蛋白。比如，拟南芥中的ABI1，ABI2以及KAPP这些PP2C蛋白都具有一个N端结构域，而一般认为这些额外的结构域的功能是调控酶活结构域的活性。杨茂君研究组的研究结果首次揭示了这种“附加结构域”可以通过介导蛋白-蛋白相互作用的方式来调控整个蛋白质复合物的功能，而不是直接调控该蛋白的活性。这为理解这类含有“附加结构域”的PP2C家族蛋白的功能具有非常重要的参考意义。
上海同步辐射和北京同步辐射为晶体数据收集提供了及时有效的支持。生命学院李蓬教授及薛定教授实验室的成员也为本研究做出了突出的贡献。该研究得到了国家自然科学基金委面上项目“FEM蛋白质复合物结构与功能研究”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.
