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

2020-08-27 中國生物物理學會

來源：大屯路15號

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

相關焦點

  • 【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...
    【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 2020-06-06 03:17 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 高璞組闡釋病原菌介導新型泛素化及去泛素化的催化調控機制
    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。
  • 生物物理所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
    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。
  • 病原菌泛素化修飾新機制獲闡釋
    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。
  • 泛素化及去泛素化在病毒感染中的作用
    細胞內同時也存在與這些修飾對應的去翻譯後修飾，以滿足細胞精確調控信號轉導的需求。其中，泛素化與去泛素化這對翻譯後修飾在先天性免疫反應中受到廣泛研究。泛素(Ubiquitin, Ub)是一種廣泛存在於各類真核細胞中，由76個胺基酸組成的具有高度保守的蛋白質。
  • 結構生物學揭示NEDD8介導的泛素組裝機制
    結構生物學揭示NEDD8介導的泛素組裝機制 作者：小柯機器人 發布時間：2020/2/14 10:55:11 德國馬克斯•普朗克學會生物化學研究所Brenda A.
  • 多篇文章解讀近年來科學家們在泛素化領域的重要研究成果!
    腫瘤微環境會誘導功能性T細胞高表達抑制性受體PD-1，通過與腫瘤細胞表面的配體PD-L1結合，顯著抑制功能性T細胞清除腫瘤細胞的能力。抗PD-1及其配體(PD-L1)的抗體抑制劑已成為治療多種腫瘤的特效藥物。目前，我們對PD-1表達調控的分子機制還不是十分清楚。該研究表明，活化T細胞中，PD-1首先經過內化和泛素化，最終被蛋白酶體降解。
  • Nature | 北化工馮越組揭示新型泛素化反應的分子機制
    ——SdeA及其與泛素複合物的晶體結構，揭示了其修飾泛素及催化新型泛素化過程的工作機理。常規的泛素化過程是由E1、E2、E3三個酶的級聯反應催化的，最終將泛素蛋白轉移到底物的賴氨酸殘基上【2】。此外，羅招慶實驗室的另一項工作證明SidJ具有去泛素化功能以逆轉由SidE家族蛋白對底物的修飾，其活性不依賴於活性的半胱氨酸殘基【5】。
  • 研究揭示組蛋白H2A泛素化修飾對核小體的調控機制
    核小體，作為染色質的基本結構單元，在基因複製與轉錄過程中高度動態調控。DNA/RNA聚合酶前的核小體結構要被打開，使得聚合酶能順利通過核小體，對核小體包裹的DNA進行複製轉錄；而聚合酶通過後的DNA要被重新組裝形成核小體，保護DNA免受損傷，並維持或繼承該區域表觀遺傳信息。組蛋白泛素化修飾，作為一類重要的組蛋白化學修飾方式，在核小體結構的動態調控中發揮至關重要的作用。
  • 饒楓/汪濤組揭示代謝小分子調控CRL泛素連接酶擬素化修飾的功能與機制 ​
    CRL介導了總蛋白泛素化的 20%，其家族成員在多種癌症中高表達或活性上調，參與了細胞周期、生長、代謝、存活、自噬、遷移和免疫逃逸等過程相關蛋白的異常降解，是潛在的腫瘤治療重要靶點【2】。CRL泛素連接酶受擬素化修飾（Neddylation，一種基於類泛素分子Nedd8的共價修飾【3】）動態調控。擬素化E1酶的抑制劑MLN4924是治療癌症的三期臨床藥物。COP9 Signalosome（CSN）特異催化CRL的去擬素化（deneddylation）。
  • 大連化物所基於生物信息學方法揭示癌症中關鍵的去泛素化與泛素化...
    近日，中國科學院大連化學物理研究所生物技術研究部生物分子功能研究組研究員樸海龍團隊基於生物信息學方法，揭示了癌症中關鍵的去泛素化與泛素化分子相互作用網絡。　　去泛素化與泛素化作用是生命體內至關重要的轉錄後修飾作用，參與到細胞周期、免疫調控、信號傳遞等幾乎所有的生物學通路過程中。
  • 蘇州大學鄭慧團隊揭示線性泛素化調控IFN抗病毒信號的新機制
    近年來，蛋白質泛素化成為基因表達調控研究的熱點，泛素化在各類細胞信號通路中發揮重要的調節作用。泛素分子通常含有7種內部賴氨酸殘基，通過這些殘基可與其他泛素分子的甘氨酸C端相連產生分支，形成多聚泛素化修飾。
  • 鄭曉峰:組蛋白H2A泛素化、類泛素化修飾調控的新機制
    2015年6月4日訊 /生物谷BIOON/--6月4日在上海"2015蛋白質修飾與降解論壇"上，來自北京大學生命科學學院的鄭曉峰教授與大家分享了組蛋白H2A泛素化、類泛素化修飾調控的新機制。在報告中鄭教授提到真核細胞的組蛋白存在著磷酸化、乙醯化和泛素化等多種翻譯後修飾。組蛋白H2Ashi最早鑑定的泛素化修飾底物，組蛋白H2A的泛素E3連接酶PRC1複合體的自身泛素化對於其E3連接酶活性至關重要，組蛋白H2A泛素化修飾參與了基因轉錄調控和DNA損傷修復等多個生理反應過程，它受到非常嚴格二敬慕的調控，但有關H2A泛素化修飾調控的分子機制還有許多問題尚待解決。
  • 研究揭示蛋白質泛素化與SUMO化修飾交互作用在減數分裂中的新機制
    研究發現蛋白質的泛素化與SUMO化修飾之間存在交互作用（Ubiquitylation-SUMOylation Crosstalk），其中SUMO靶向泛素連接酶（SUMO-targeted ubiquitin ligases；STUbLs）是一種重要的泛素化-SUMO化交互調控因子。
  • 郭德銀組揭示細胞新型自噬受體調控機體抗病毒天然免疫反應新機制
    該研究發現RNA病毒感染宿主細胞可誘導表達一種新型自噬受體CCDC50，該自噬受體通過識別K63型泛素化修飾的RNA病毒模式識別受體RIG-I/MDA5（RLR）並介導後者的自噬途徑依賴的降解，從而抑制病毒感染誘導的I型幹擾素的產生，幫助機體恢復到靜息狀態，避免過度免疫反應造成的組織損傷和自身炎症。我校博士後侯盼盼為論文第一作者，郭德銀教授為通訊作者，我校醫學院、附屬第七醫院為第一作者單位。
  • NAR & JCS:鄭曉峰等揭示組蛋白泛素化和類泛素化修飾調控的新機制
    H2A泛素化、類泛素化修飾調控的新機制。真核細胞的組蛋白存在著各種翻譯後修飾，包括甲基化、乙醯化、磷酸化和泛素化等，這些修飾使得DNA的複製和轉錄得到多層次的調控。組蛋白H2A是最早鑑定的泛素化修飾底物，組蛋白H2A泛素化修飾參與了基因轉錄調控和DNA損傷修復等多個生理反應過程，它受到非常嚴格而精細的調控，但有關H2A泛素化修飾調控的分子機制還有許多問題尚待解決。
  • 【學術前沿】鍾波組發現MAVS和MITA泛素化修飾的新機制
    MAVS（又叫做VISA）以及MITA（也叫STING）作為重要的接頭蛋白，分別介導胞漿中識別RNA的模式識別受體和識別DNA的模式識別受體所介導的信號轉導。研究表明，MAVS和MITA的活性與穩定性受到泛素化與去泛素化修飾的嚴格調控【2】。
  • 研究發現泛素修飾調控植物類黃酮合成的分子機制
    科學家對植物中的類黃酮合成途徑在轉錄水平上的調控研究較為深入，但轉錄後、翻譯及翻譯後的修飾機制相關研究較少。在真核細胞中，目標蛋白的周轉主要由泛素/26S蛋白酶體系統途徑完成，這也是植物蛋白質翻譯後修飾的主要調控機制。已有研究表明，E3泛素連接酶是調節蛋白質泛素化和降解的關鍵因子，種類最多、結構最為複雜，但由於對E3泛素連接酶組分的鑑定仍較為困難，因此對它在類黃酮合成中的作用仍不清楚。
  • 生命科學學院鄭曉峰研究組揭示組蛋白泛素化和類泛素化修飾調控的...
    H2A泛素化、類泛素化修飾調控的新機制。真核細胞的組蛋白存在著各種翻譯後修飾，包括甲基化、乙醯化、磷酸化和泛素化等，這些修飾使得DNA的複製和轉錄得到多層次的調控。組蛋白H2A是最早鑑定的泛素化修飾底物，組蛋白H2A泛素化修飾參與了基因轉錄調控和DNA損傷修復等多個生理反應過程，它受到非常嚴格而精細的調控，但有關H2A泛素化修飾調控的分子機制還有許多問題尚待解決。
  • 湖北大學楊平仿團隊泛素化修飾組學揭示水稻種子萌芽過程的動態...
    泛素化是一種普遍存在的翻譯後修飾（PTM），它指的是由泛素激活酶（E1），泛素結合酶（E2）和泛素連接酶（E3）依次催化並最終將泛素（Ub）結合到其底物上來發揮功能。泛素化修飾可以通過調節蛋白的轉運、活性和降解等功能來協調植物幾乎所有的生長和發育過程。