2020年6月2日，《自然—通訊》（Nature Communications）在線發表了中科院生物物理研究所高璞課題組的最新研究成果。
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《細胞》報導了SidE家族蛋白催化反應的結構和分子機制，而最新這項工作則主要是圍繞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2）。
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。
圖2：MavC+UBE2N~Ub的複合物結構
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。
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。
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3）。
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。
圖3：MavC+Lpg2149和MvcA+Lpg2149的晶體結構
本研究較為完整地闡明了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。
生物物理所高璞研究員為本文的通訊作者，其課題組副研究員王勇和博士生展琪為本文的共同第一作者。
生物物理所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相關實驗。
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DOI：10.1038/s41467-020-16587-w