研究發現特異地切割宿主線性泛素鏈的全新去泛素化酶及其功能與機制

2020-11-25 生物谷

 

 

生物體的生長發育、損傷應激、免疫應答，以及體內細胞分化凋亡等一切生命活動由各種各樣的過程所調控。其中泛素化及其「逆過程」去泛素化就是重要的調控機制，它們在體內形成動態平衡，並幾乎參與了所有的生命活動。由於這兩個過程與腫瘤、心血管等疾病的免疫與發病機制密切相關，近年來，已成為研究熱點與重要藥物的新靶標。

病原菌在與宿主長期的相互「鬥爭」中，會分泌一些具有去泛素化酶活性的「壞蛋分子」，幹擾宿主泛素化過程，降低宿主免疫能力並促進病原菌的「侵襲」。一直以來，探索新型去泛素化酶及其功能與作用機制，是科學家最為關注的話題。

近日，浙江大學生命科學研究院朱永群教授團隊在國際上首次發現了一個來源於名為「嗜肺軍團菌」的病原菌中特異地切割線性泛素鏈的全新去泛素化酶，並揭示了其在病原菌與宿主相互作用中的重要功能及機制。相關研究成果發表於《自然—微生物》雜誌。

一個長期的科學疑問

在人、動植物等真核生物的細胞中廣泛存在著泛素分子，它們是「路標」，指示著需要被降解的蛋白質或者發出特定的信號轉導方向。而泛素分子會通過泛素化過程，在泛素激活酶、泛素結合酶和泛素連接酶的依次催化下，會形成不同連接形式的多聚泛素鏈，包括異肽鍵連接的泛素鏈和泛素分子「首尾相連」的線性泛素鏈，參與調節信號通路。

「線性泛素鏈作用很重要，其擁有獨特的構象，只能被一些特殊的蛋白識別，從而介導很多重要的信號通路調節，影響重要的生理過程，如細胞凋亡，胚胎發育、自噬等。」朱永群告訴《中國科學報》。

與此同時，真核細胞內還存在著大量的去泛素化酶，與泛素化「針鋒相對」，它能夠切割泛素鏈，釋放泛素分子並在「有需要的地方」被循環利用，因此，去泛素化酶在信號轉導過程中發揮著關鍵的「調節器」作用。

已有研究表明，這些去泛素化酶主要是針對異肽鍵的泛素鏈，針對線性泛素鏈的就只有一個名為OTULIN的特異切割的去泛素化酶。

不過，對於「OTULIN」如何起作用，科學家們之間莫衷一是。

朱永群表示，OTULIN雖然能夠「切割」線性泛素鏈，但有人認為它直接具有去泛素化酶活性，有人認為它只是作為一個「調節分子」，催化一個特殊的泛素連接酶LUBAC活性，使其起作用。「兩種觀點分別發表在《自然》和《細胞》兩家頂級期刊上，爭議很大。」

闡明相關機制很重要，因為在病原菌與宿主的「鬥爭」中，線性泛素鏈參與宿主免疫防禦過程，具有很強的抑制細菌侵染的能力。朱永群進一步解釋道，細菌「入侵」宿主之時，會分泌大量的毒性效應蛋白，也就是「毒素」，毒素進入細胞便開始「鳩佔鵲巢」，它作用於宿主細胞關鍵信號分子，改變宿主正常的信號通路，拮抗宿主免疫防禦和促進病原菌侵染，從而順利「存活」。

過去的研究已經發現了多個具有去泛素化酶活性的效應蛋白，但全部都是切割異肽鍵連接的泛素鏈，「是否存在特異地切割線性泛素鏈的去泛素化酶效應蛋白？這是病原菌領域裡長期以來存在著一個科學疑問。」朱永群說。

一個簡單新穎的實驗

「這個很難做。」朱永群坦承，病原菌不計其數，其分泌的效應蛋白也成千上萬，誰具有切割線性泛素鏈的去泛素化酶活性呢？

朱永群團隊設計了一個「簡單」卻很「新穎」的實驗。

此前，他們研究發現，病原菌只有與宿主細胞接觸時才會分泌「毒素」。而事實上，當病原菌生活在營養充足並開始快速生長的後對數生長期時，效應蛋白就已經被表達了，只不過尚未分泌出來而已。

由於泛素和泛素鏈只存在於真核生物中，研究人員設想，如果將病原菌培養到後對數生長期，將其製備成細菌裂解液，然後利用它在體外切割泛素鏈。「病原菌細胞裂解後，效應蛋白釋放在試管中，如果裂解液能夠將泛素鏈切割成單個泛素分子，表明該細菌裂解液具有去泛素化酶的活性。」朱永群說。

隨後研究人員根據這一設想建立了實驗體系，利用這一篩選體系，對43種不同的病原菌進行篩選，成功發現嗜肺軍團菌的裂解液能夠切割線性泛素鏈，表明嗜肺軍團菌含有切割線性泛素鏈去泛素化酶活性的效應蛋白。

「這很有意思。」朱永群說。嗜肺軍團菌就是人類「空調病」的病原菌，它常存在於空調的冷凝水中，被人呼吸到肺部後，就會在肺部裡面『幹壞事』。它分泌300個毒性效應蛋白到宿主細胞中，在巨噬細胞內，嗜肺軍團菌建立了獨特的膜泡結構作為「大本營」，在裡面大量增殖，最後導致巨噬細胞死亡，被釋放出來的細菌再進行新一輪的感染。「當巨噬細胞死亡的越來越多，就會引發『空調病』。」

然而，究竟是嗜肺軍團菌中哪個效應蛋白切割的線性泛素鏈？研究人員從該菌中克隆了149個功能未知效應蛋白，在體外進行針對線性泛素鏈的去泛素化酶活性實驗，成功篩選出唯一的一個名為RavD效應蛋白。隨後的實驗表明，RavD只特異地切割線性泛素鏈，對其它類型的泛素鏈不起作用。

一種新工具

「RavD效應蛋白是一個全新的去泛素化酶。」朱永群表示，通過解析它的結構，發現RavD具有獨特的三維結構，不同於先前發現的所有去泛素化酶。

更重要的是，研究人員發現RavD被嗜肺軍團菌分泌後，會持續性地切割膜泡上形成的線性泛素鏈，避免膜泡上線性泛素鏈的累積，達到抑制宿主NF-κB免疫信號的目的。這樣的結果導致，已被感染的細胞無法發出「求救信號」，處於一種仍然「健康」的假象中。

事實上，不止是在嗜肺軍團菌中，RavD廣泛存在於軍團菌屬細菌中。

與前述爭議較大的OTULIN不同，RavD有望被開發成研究線性泛素鏈的全新工具，促進真核細胞信號轉導的研究。

「未來，我們希望對我們發現的獨特效應蛋白進行蛋白工程上的改造，使它們能成為生物醫學研究和臨床診治的工具。對於一些感染至關重要的效應蛋白，我們希望能幫助研發新型抗菌藥物，解決日益嚴重的病原菌耐藥性問題。」朱永群說。(生物谷Bioon.com）

 

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