2020-06-06 03:17 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
2020年6月2日，《Nature Communications》雜誌在線發表了高璞課題組的研究論文「Insights into catalysis and regulation of non-canonical ubiquitination and deubiquitination by bacterial deamidase effectors」。該工作解析了來源於高致病性嗜肺軍團菌（Legionella pneumophila）的新型泛素化酶MavC與底物蛋白UBE2N及泛素分子的複合物結構，並同時解析了MavC及其同源蛋白MvcA與負調控因子Lpg2149的兩種複合物結構。結合大量生化和細胞實驗，闡明了這種新型泛素化修飾系統催化和調控的分子機制。
蛋白質泛素化修飾是真核細胞最重要的翻譯後修飾之一。經典的泛素化修飾需要通過E1-E2-E3三酶級聯反應來催化完成，而近期鑑定的兩類L. pneumophila效應蛋白（SidE和MavC）卻可以通過不依賴E1-E2-E3的全新方式催化宿主蛋白的泛素化修飾（圖1）。高璞課題組曾於2018年在《Cell》雜誌報導了SidE家族蛋白催化反應的結構和分子機制，而此項最新工作則主要是圍繞MavC家族蛋白展開研究。
圖1：病原菌編碼的兩種新型泛素化修飾系統
MavC所在基因組簇可編碼三種效應蛋白：Lpg2147（MavC），Lpg2148（MavC paralog A或MvcA）和Lpg2149。MavC和MvcA均可以催化泛素分子的脫氨反應（Ub-Q40轉變為Ub-E40），而Lpg2149則可以抑制這兩種脫氨酶的活性。近期的研究表明，MavC還可以特異性泛素化修飾宿主蛋白UBE2N，進而抑制UBE2N的正常E2功能，從而抑制NF-κB通路的活化。有趣的是，儘管MvcA與MavC非常類似，但MvcA卻不能催化UBE2N泛素化。
研究人員利用MavC催化製備了泛素化修飾的UBE2N（UBE2N~Ub），並解析了MavC與UBE2N~Ub複合物的晶體結構（圖2a）。該結構直接揭示了MavC與UBE2N以及Ub的互作界面，並表明MavC利用同一個活性中心催化脫氨反應及泛素化反應。MvcA與MavC的序列和結構比較表明，MvcA的Insertion結構域中並不保守存在能夠與UBE2N結合的關鍵胺基酸，這也解釋了為何MvcA不能穩定結合游離狀態的UBE2N，以及為何不能催化UBE2N的泛素化修飾。這些基於結構所得的結論，也進一步通過生化和細胞實驗獲得了驗證。
出乎意料的是，MavC和MvcA還具備去泛素化酶的活性，可以特異性去除MavC介導的UBE2N泛素化修飾（圖2b）。由於MvcA比MavC的去泛素化活性更強，因而在實際感染中MavC和MvcA很可能分別發揮泛素化酶和去泛素化酶的功能。這一發現表明MavC可以利用同一個活性口袋來催化脫氨、泛素化以及去泛素化三種酶學反應，同時鑑定了MavC是目前為止第一個能夠同時添加和去除同一類泛素化修飾的酶。
研究人員進一步解析了MavC+Lpg2149複合物和MvcA+Lpg2149複合物的晶體結構（圖2a）。與游離狀態下的晶體結構呈現緊密二聚體不同，Lpg2149以單體形式與MavC或MvcA相互作用。由於Lpg2149和Ub佔據相似的結合位置，說明Lpg2149可以直接幹擾Ub與MavC/MvcA的相互作用。功能實驗表明，Lpg2149確實可以同時抑制脫氨、泛素化及去泛素化。有意思的是，游離狀態的MavC本身就具備Lpg2149的結合構象，而MvcA則需要發生較大的構象變化來實現與Lpg2149的結合。進一步的結合實驗表明，MavC-Lpg2149的親和力比MvcA-Lpg2149強約50倍，這與結構分析是一致的。
綜上，本研究較為完整的闡明了Mavc介導的新型泛素化修飾的催化和調控機制，既有助於理解病原與宿主相互博弈的多樣性機制，也可為新型抗細菌療法的設計提供思路。
高璞研究員為通訊作者，其課題組副研究員王勇和博士生展琪為共同第一作者。高光俠研究員及其課題組副研究員王新路指導並開展了細胞實驗。上海光源為晶體數據收集提供了支持。生物物理所平臺楊福全研究員和王繼峰博士為質譜分析提供了幫助，陳媛媛博士為ITC實驗提供了幫助。此研究得到國家自然科學基金委、科技部及中科院的經費支持。
圖2：a, MavC+UBE2N~Ub、MavC+Lpg2149和MvcA+Lpg2149三種複合物的晶體結構；b, MavC（上）和MvcA（下）催化UBE2N~Ub去泛素化的切割位點。
媒體報導：http://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1236257.html
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16587-w
本文轉載自公眾號「大屯路15號」（IBP_Datun15）
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原標題：《【科技前沿】高璞組揭示病原菌介導的新型泛素化及去泛素化的催化調控機制》
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