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生科院周艳课题组在Molecular Cell上发表论文发现病原菌对宿主泛素分子进行苏氨酸ADP-核糖基化的新型翻译后修饰

时间:2020-04-26

2020423日,微生物所周艳研究员与生研院朱永群教授联合在Molecular Cell杂志上发表题为“Threonine ADP-Ribosylation of Ubiquitin by a Bacterial Effector Family Blocks Host Ubiquitination”的研究论文,发现一类广泛存在于病原菌中的三型效应蛋白家族特异地对宿主泛素进行苏氨酸ADP-核糖基化修饰(threonine ADP-ribosylation)、并彻底阻断宿主泛素信号通路的全新机制。

泛素是真核细胞特有的关键信号分子。泛素在泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的催化下,在底物蛋白上形成多聚泛素链,即蛋白质泛素化过程。多聚泛素链能够被细胞内不同的泛素结合蛋白所识别,从而介导底物蛋白的降解或者启动特定的细胞信号转导。同时,去泛素化酶能够水解切割多聚泛素链,将它们变成游离的单个泛素分子,从而逆转蛋白质泛素化或者相关细胞信号的转导过程。泛素信号通路参与几乎所有的真核细胞生理过程,包括免疫防御反应等,是真核细胞必需的、且广泛发挥作用的信号通路。

在这项研究中,我们首先发现紫色色杆菌(Chromobacterium violaceum)在感染过程中破坏了宿主细胞内由泛素-蛋白酶体系统介导的蛋白质降解过程,并且抑制了宿主细胞内的多聚泛素链的形成。进一步的研究,发现该菌在感染中完全修饰了宿主细胞内的所有泛素分子以及各种连接形式的多聚泛素链,导致多聚泛素链不能被泛素结合蛋白的识别,失去了信号传递的功能,从而彻底阻断了宿主细胞的泛素信号通路和蛋白质泛素化过程。经过筛选实验,我们发现该菌Cpi-1/-1a三型分泌系统分泌的效应蛋白CteC是直接作用于泛素的毒性效应蛋白,并且CteC在多种病原菌中存在同源蛋白,组成了一个三型效应蛋白家族。CteC具有ADP-核糖基转移酶的酶学活性,能够以NAD为辅基,对泛素进行单ADP-核糖基化修饰(Mono-ADP-ribosylation)。通过解析CteC修饰后的泛素的晶体结构以及利用独特的电子转移碎裂质谱技术,我们发现CteC催化的ADP-核糖基化修饰发在泛素的第66位苏氨酸残基上(图1)。ADP-核糖基化通常发生在蛋白质的精氨酸和谷氨酰胺残基上,对苏氨酸进行ADP-核糖基化修饰是非常罕见的。被CteC修饰后的泛素分子不能从E1转移到E2上,从而丧失了形成多聚泛素链的能力。CteC不仅修饰游离的泛素,而且修饰细胞内所有连接形式的多聚泛素链。被CteC修饰后的多聚泛素链不能被泛素结合蛋白所识别,也不能被去泛素化酶切割,从而导致了整个宿主细胞的泛素信号通路和泛素化被彻底阻断(图1)。CteC效应蛋白家族所有成员都具有ADP-核糖基转移酶活性,都特异地修饰泛素的第66位苏氨酸残基,表明CteC家族效应蛋白对泛素进行的苏氨酸ADP-核糖基化修饰是病原菌调节宿主泛素信号通路的一个全新的普适性机制。

这项研究揭示了宿主泛素的一种新型翻译后修饰,发现了一种病原菌干扰宿主泛素信号通路的全新的、普适性的分子机制。该家族效应蛋白广泛存在在伯克霍尔德杆菌属和粘细菌属的病原菌中。这项成果为人兽共患病原菌致病机制、真菌-细菌互作和农业植物保护的研究提供了新方向。

1. 紫色色杆菌三型效应蛋白CteC对宿主泛素分子进行苏氨酸ADP-核糖基化修饰的分子机制示意图。


周艳研究员为通讯作者,朱永群教授为共同通讯作者,联合培养博士后阎芙洁、已毕业博士研究生黄春峰和博士后王小飞为本文的共同第一作者。北京大学医学部刘小云研究员和研究生程森进行了质谱鉴定工作。参加该研究的人员还有研究生谭加兴、万木阳、王钊、汪霜玉、李阿荣和技术员罗书慧、以及中国竞彩网,足球比分直播郭行教授和冯明光教授。该工作获得国家自然科学基金委、科技部、国家万人计划青年拔尖人才、浙江省万人计划科技创新领军人才和中央高校基本科研经费的资助,并申请了相关专利。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.03.016