微生物所周艷課題組在Molecular Cell上發(fā)表論文發(fā)現(xiàn)病原菌對宿主泛素分子進(jìn)行蘇氨酸ADP-核糖基化的新型翻譯后修飾
2020年4月23日，微生物所周艷研究員與生研院朱永群教授聯(lián)合在Molecular Cell雜志上發(fā)表題為“Threonine ADP-Ribosylation of Ubiquitin by a Bacterial Effector Family Blocks Host Ubiquitination”的研究論文，發(fā)現(xiàn)一類廣泛存在于病原菌中的三型效應(yīng)蛋白家族特異地對宿主泛素進(jìn)行蘇氨酸ADP-核糖基化修飾（threonine ADP-ribosylation）、并徹底阻斷宿主泛素信號通路的全新機(jī)制。
泛素是真核細(xì)胞特有的關(guān)鍵信號分子。泛素在泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2和泛素連接酶E3的催化下，在底物蛋白上形成多聚泛素鏈，即蛋白質(zhì)泛素化過程。多聚泛素鏈能夠被細(xì)胞內(nèi)不同的泛素結(jié)合蛋白所識別，從而介導(dǎo)底物蛋白的降解或者啟動特定的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。同時，去泛素化酶能夠水解切割多聚泛素鏈，將它們變成游離的單個泛素分子，從而逆轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)泛素化或者相關(guān)細(xì)胞信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。泛素信號通路參與幾乎所有的真核細(xì)胞生理過程，包括免疫防御反應(yīng)等，是真核細(xì)胞必需的、且廣泛發(fā)揮作用的信號通路。
在這項(xiàng)研究中，我們首先發(fā)現(xiàn)紫色色桿菌（Chromobacterium violaceum）在感染過程中破壞了宿主細(xì)胞內(nèi)由泛素-蛋白酶體系統(tǒng)介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解過程，并且抑制了宿主細(xì)胞內(nèi)的多聚泛素鏈的形成。進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)該菌在感染中完全修飾了宿主細(xì)胞內(nèi)的所有泛素分子以及各種連接形式的多聚泛素鏈，導(dǎo)致多聚泛素鏈不能被泛素結(jié)合蛋白的識別，失去了信號傳遞的功能，從而徹底阻斷了宿主細(xì)胞的泛素信號通路和蛋白質(zhì)泛素化過程。經(jīng)過篩選實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)該菌Cpi-1/-1a三型分泌系統(tǒng)分泌的效應(yīng)蛋白CteC是直接作用于泛素的毒性效應(yīng)蛋白，并且CteC在多種病原菌中存在同源蛋白，組成了一個三型效應(yīng)蛋白家族。CteC具有ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶的酶學(xué)活性，能夠以NAD為輔基，對泛素進(jìn)行單ADP-核糖基化修飾（Mono-ADP-ribosylation）。通過解析CteC修飾后的泛素的晶體結(jié)構(gòu)以及利用獨(dú)特的電子轉(zhuǎn)移碎裂質(zhì)譜技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)CteC催化的ADP-核糖基化修飾發(fā)在泛素的第66位蘇氨酸殘基上（圖1）。ADP-核糖基化通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的精氨酸和谷氨酰胺殘基上，對蘇氨酸進(jìn)行ADP-核糖基化修飾是非常罕見的。被CteC修飾后的泛素分子不能從E1轉(zhuǎn)移到E2上，從而喪失了形成多聚泛素鏈的能力。CteC不僅修飾游離的泛素，而且修飾細(xì)胞內(nèi)所有連接形式的多聚泛素鏈。被CteC修飾后的多聚泛素鏈不能被泛素結(jié)合蛋白所識別，也不能被去泛素化酶切割，從而導(dǎo)致了整個宿主細(xì)胞的泛素信號通路和泛素化被徹底阻斷（圖1）。CteC效應(yīng)蛋白家族所有成員都具有ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶活性，都特異地修飾泛素的第66位蘇氨酸殘基，表明CteC家族效應(yīng)蛋白對泛素進(jìn)行的蘇氨酸ADP-核糖基化修飾是病原菌調(diào)節(jié)宿主泛素信號通路的一個全新的普適性機(jī)制。
這項(xiàng)研究揭示了宿主泛素的一種新型翻譯后修飾，發(fā)現(xiàn)了一種病原菌干擾宿主泛素信號通路的全新的、普適性的分子機(jī)制。該家族效應(yīng)蛋白廣泛存在在伯克霍爾德桿菌屬和粘細(xì)菌屬的病原菌中。這項(xiàng)成果為人獸共患病原菌致病機(jī)制、真菌-細(xì)菌互作和農(nóng)業(yè)植物保護(hù)的研究提供了新方向。
圖1. 紫色色桿菌三型效應(yīng)蛋白CteC對宿主泛素分子進(jìn)行蘇氨酸ADP-核糖基化修飾的分子機(jī)制示意圖。
周艷研究員為通訊作者，朱永群教授為共同通訊作者，聯(lián)合培養(yǎng)博士后閻芙潔、已畢業(yè)博士研究生黃春峰和博士后王小飛為本文的共同第一作者。北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部劉小云研究員和研究生程森進(jìn)行了質(zhì)譜鑒定工作。參加該研究的人員還有研究生譚加興、萬木陽、王釗、汪霜玉、李阿榮和技術(shù)員羅書慧、以及浙江大學(xué)郭行教授和馮明光教授。該工作獲得國家自然科學(xué)基金委、科技部、國家萬人計(jì)劃青年拔尖人才、浙江省萬人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和中央高?；究蒲薪?jīng)費(fèi)的資助，并申請了相關(guān)專利。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.03.016
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