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生科院周艷課題組在Molecular Cell上發表論文發現病原菌對宿主泛素分子進行蘇氨酸ADP-核糖基化的新型翻譯后修飾

時間:2020-04-26

2020423日,微生物所周艷研究員與生研院朱永群教授聯合在Molecular Cell雜志上發表題為“Threonine ADP-Ribosylation of Ubiquitin by a Bacterial Effector Family Blocks Host Ubiquitination”的研究論文,發現一類廣泛存在于病原菌中的三型效應蛋白家族特異地對宿主泛素進行蘇氨酸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制。

泛素是真核細胞特有的關鍵信號分子。泛素在泛素激活酶E1、泛素結合酶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,即蛋白質泛素化過程。多聚泛素鏈能夠被細胞內不同的泛素結合蛋白所識別,從而介導底物蛋白的降解或者啟動特定的細胞信號轉導。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,從而逆轉蛋白質泛素化或者相關細胞信號的轉導過程。泛素信號通路參與幾乎所有的真核細胞生理過程,包括免疫防御反應等,是真核細胞必需的、且廣泛發揮作用的信號通路。

在這項研究中,我們首先發現紫色色桿菌(Chromobacterium violaceum)在感染過程中破壞了宿主細胞內由泛素-蛋白酶體系統介導的蛋白質降解過程,并且抑制了宿主細胞內的多聚泛素鏈的形成。進一步的研究,發現該菌在感染中完全修飾了宿主細胞內的所有泛素分子以及各種連接形式的多聚泛素鏈,導致多聚泛素鏈不能被泛素結合蛋白的識別,失去了信號傳遞的功能,從而徹底阻斷了宿主細胞的泛素信號通路和蛋白質泛素化過程。經過篩選實驗,我們發現該菌Cpi-1/-1a三型分泌系統分泌的效應蛋白CteC是直接作用于泛素的毒性效應蛋白,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蛋白家族。CteC具有ADP-核糖基轉移酶的酶學活性,能夠以NAD為輔基,對泛素進行單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構以及利用獨特的電子轉移碎裂質譜技術,我們發現CteC催化的ADP-核糖基化修飾發在泛素的第66位蘇氨酸殘基上(圖1)。ADP-核糖基化通常發生在蛋白質的精氨酸和谷氨酰胺殘基上,對蘇氨酸進行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,而且修飾細胞內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合蛋白所識別,也不能被去泛素化酶切割,從而導致了整個宿主細胞的泛素信號通路和泛素化被徹底阻斷(圖1)。CteC效應蛋白家族所有成員都具有ADP-核糖基轉移酶活性,都特異地修飾泛素的第66位蘇氨酸殘基,表明CteC家族效應蛋白對泛素進行的蘇氨酸ADP-核糖基化修飾是病原菌調節宿主泛素信號通路的一個全新的普適性機制。

這項研究揭示了宿主泛素的一種新型翻譯后修飾,發現了一種病原菌干擾宿主泛素信號通路的全新的、普適性的分子機制。該家族效應蛋白廣泛存在在伯克霍爾德桿菌屬和粘細菌屬的病原菌中。這項成果為人獸共患病原菌致病機制、真菌-細菌互作和農業植物保護的研究提供了新方向。

1. 紫色色桿菌三型效應蛋白CteC對宿主泛素分子進行蘇氨酸ADP-核糖基化修飾的分子機制示意圖。


周艷研究員為通訊作者,朱永群教授為共同通訊作者,聯合培養博士后閻芙潔、已畢業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。北京大學醫學部劉小云研究員和研究生程森進行了質譜鑒定工作。參加該研究的人員還有研究生譚加興、萬木陽、王釗、汪霜玉、李阿榮和技術員羅書慧、以及浙江大學郭行教授和馮明光教授。該工作獲得國家自然科學基金委、科技部、國家萬人計劃青年拔尖人才、浙江省萬人計劃科技創新領軍人才和中央高校基本科研經費的資助,并申請了相關專利。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.03.016