Nature | 北化工冯越组揭示新型泛素化反应的分子机制
p style=" text-indent: 2em " 北京时间5月24日凌晨,北京软物质科学与工程高精尖创新中心、北京化工大学生命学院冯越教授研究组在 strong i Nature /i /strong 在线发表了题为 span style=" color: rgb(79, 129, 189) " i Structural basis of ubiquitin modification by theLegionella effector SdeA /i /span 的研究长文(Article),报道了 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 嗜肺军团菌内一种新型的泛素修饰与连接酶——SdeA及其与泛素复合物的晶体结构,揭示了其修饰泛素及催化新型泛素化过程的工作机理 /span 。这是北京化工大学历史上首篇发表在 strong i Nature、Science、Cell /i /strong 三大国际顶级学术期刊主刊的研究论文。 /p p style=" text-align: center " img title=" 1.jpg" style=" float: none " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/dbfb3a2a-d837-40e3-9ed6-2700d7be0684.jpg" / /p p 泛素化是泛素在特定酶的作用下,对底物蛋白进行特异性修饰的过程,几乎参与一切生命活动的调控,与肿瘤、心血管等疾病的发病也密切相关【1】。常规的泛素化过程是由E1、E2、E3三个酶的级联反应催化的,最终将泛素蛋白转移到底物的赖氨酸残基上【2】。然而,美国普渡大学罗招庆研究组在2016年的 i strong Nature /strong /i 文章中报道,嗜肺军团菌(嗜肺军团菌是一种条件性致病菌,引起人的以非典型性肺炎为主要症状的军团菌病,该菌通过其Dot/Icm IV型分泌系统输送超过300个效应蛋白到宿主细胞内,改变宿主的多种信号通路以构建其在宿主内的最适生长环境)中以SdeA为代表的SidE家族可以通过一种全新的、完全不同于经典泛素化的方式修饰泛素,并催化其对几种内质网相关蛋白的泛素化过程,实现all-in-one的泛素化模式【3】。紧接着,在2016年底,Ivan Dikic研究组报道了对该反应过程的进一步研究,明确了SdeA的mART和PDE结构域经过两步催化反应最终完成对底物的泛素化过程【4】。在该过程中,泛素第42位的精氨酸先在mART结构域的作用下被修饰成ADP核糖基化泛素。随后,该修饰形式的泛素在PDE结构域的作用下生成磷酸核糖基化泛素,并转移到底物或SdeA自身的丝氨酸残基上。此外,罗招庆实验室的另一项工作证明SidJ具有去泛素化功能以逆转由SidE家族蛋白对底物的修饰,其活性不依赖于活性的半胱氨酸残基【5】。 br/ /p p 巧合的是,在Ivan Dikic组Cell文章在线发表的同一天(2016年12月1日),冯越研究组获得了SdeA核心区231-1190区域的初步结构信息(图1a),确认了SdeA中mART和PDE组成活性中心,C端结构域形成scaffold的基本结构组成方式(图1b)。通过结构分析和功能实验,冯越研究组发现,与PDE结构域自身即具备催化活性(即可以以ADP核糖基化泛素作为底物催化该新型泛素化反应)不同的是,mART结构域则需要PDE结构域的稳定作用才能维持正常的活性。在维持mART活性的结构要素中,mART结构域一段伸到PDE结构域中的loop(789-797段氨基酸)发挥了重要功能,在该文章中被命名为“Plug” loop。随后,冯越研究组又进一步获得了该区段SdeA与泛素复合物、及与泛素-NADH复合物的晶体结构,从而揭示了泛素与mART结构域的结合模式。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 在二者结合的过程中,mART结构域的ARTT和PN loop,以及α-helical lobe均发挥了重要作用 /span (图1c)。而泛素分子中参与结合的则主要是其C端区域,尤其是泛素的R72和R74两个氨基酸分别结合到mART结构域表面的两个带负电的凹槽中(图1d),起到最关键的锚定作用。这两个氨基酸的单突变均可使得泛素失去被SdeA的mART结构域修饰的能力。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/ecdeddf9-3bc8-480c-94b1-0a95e6a21c9d.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图一& nbsp /p p 在SdeA mART和泛素-NADH复合物结构中,最令人吃惊的一点在于,R72要比被修饰的R42更靠近活性中心(作为亲核基团的R42的ε氨基N原子距离作为亲电基团的NAD+中与烟酰胺基团相连的核糖C1原子之间的距离为11.7埃)。从直观上看,这与R42被mART修饰是相矛盾的。经过查阅文献,冯越研究组发现部分mART蛋白的催化机制被认为是SN1反应,即烟酰胺基团会先从NAD+中脱离,使得NAD+转变为活性中间体(oxocarbenium cation intermediate),之后发生亲核攻击反应。受此启发,冯越研究组将复合物结构中的NADH替换成该活性中间体,并对该体系进行了分子动力学模拟。其结果显示,R72在模拟过程中远离了活性中心,而R42则进入活性中心并占据了之前R72所在的位置,最终使得R42的亲核基团和NAD+的亲电基团之间的平均距离缩短至4.46埃。 br/ /p p 文章的最后部分还对SdeA的C端结构域的功能进行了研究,通过体外pull down和凝胶过滤层析实验,冯越研究组证明了SdeA的C端结构域结合IcmS-IcmW蛋白复合物,并且其1191-1350区域可与IcmS-IcmW及DotL的C端形成四元复合物。这表明 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " SdeA的C端结构域可能在SdeA转移到宿主细胞的过程中发挥功能 /span 。 br/ /p p strong SdeA是目前为止世界上首个鉴定出的新型泛素连接酶,其与泛素复合物结构的解析揭示了一种全新的泛素化结构机理 /strong 。由于哺乳动物也含有类似结构,同时其他细菌可能也具有类似的、尚未发现的泛素化系统,所以在未来,该研究将帮助鉴定出其它新型泛素化系统,从而丰富我们对细胞生命过程的认知 同时,嗜肺军团菌是军团菌肺炎这一潜在致死性肺炎的致病微生物,SdeA的结构解析也为设计针对该家族蛋白的小分子抑制剂,作为治疗军团菌肺炎的潜在抗生素奠定了重要基础。 br/ /p p 据悉,北京化工大学硕士研究生 strong 董亚南 /strong 、 strong 穆雅娟 /strong 、 strong 解永超 /strong 及清华大学博士研究生 strong 张玉鹏 /strong 依次为本论文的共同第一作者, strong 冯越 /strong 教授为本文的通讯作者, strong 北京软物质科学与工程高精尖创新中心 /strong 及 strong 北京化工大学 /strong 为第一完成单位。 /p p style=" text-align: center " img title=" 3.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/bd22f066-6d36-42e6-8e93-c7244d62eb5c.jpg" / /p p style=" text-align: center " 冯越教授课题组合影 /p p span style=" color: rgb(0, 176, 80) " BioArt后记:冯越研究组的这篇文章是与Ivan Dikic研究组和美国康奈尔大学的Yuxin Mao研究组一起以back-to-back的形式共同向Nature投稿的( span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 2017年9月24日投稿,2018年3月28日接收 /span )。在这三篇文章中,冯越研究组以mART结构域为主要研究对象,而另外两个研究组的重点则是PDE结构域。在三篇文章投到Nature四个多月后,中科院生物物理所高璞组将SidE家族的另一蛋白SidE的结构功能研究投稿到Cell杂志,该文章也于日前发表( span style=" color: rgb(79, 129, 189) " Cell丨高璞组揭示新型泛素化修饰的作用机制——胡荣贵、王丰点评 /span )。值得一提的是,在这四篇文章中,冯越研究组报道的结构所包含的SidE家族蛋白的长度是最长的,同时该文章也是四篇文章中最早接收的。 /span /p p style=" text-align: center " & nbsp img title=" 4.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/7f148278-a4e4-4914-a656-49f2a40ebdae.jpg" / /p p style=" text-align: center " Nature同期发表的Ivan Dikic研究组和Yuxin Mao研究组的研究论文 /p p span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 冯越教授简介: /span /p p style=" text-align: center " img title=" 5.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/43fed980-f71b-488b-9b41-08880433a4b5.jpg" / /p p 冯越,1985年生,辽宁锦州人,教授、博士生导师。2013年7月博士毕业于清华大学结构生物学中心,经高层次人才引进进入北京化工大学生命科学与技术学院工作,主要以蛋白质结构生物学为手段,对多酶生物分子机器及重大疾病相关蛋白质的结构与功能进行研究。共发表SCI论文23篇,其中第一作者或通讯作者论文11篇,分别发表在Nature (两篇,第一作者和通讯作者各一篇)、Nature Plants (通讯作者)、PNAS (共同第一作者)等国际著名期刊上。作为项目负责人主持国家及省部级项目3项,其中国家自然科学基金青年项目和面上项目各一项,北京市自然科学基金项目一项。 /p p span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 参考文献 /span /p p 1. Hershko, A., A. Ciechanover, and A. Varshavsky, Basic Medical Research Award. The ubiquitin system.Nat Med, 2000. 6(10): p. 1073-81. /p p 2. Komander, D. and M. Rape, The ubiquitin code. Annu Rev Biochem, 2012. 81: p. 203-29. /p p 3. Qiu, J., et al., Ubiquitination independent of E1 and E2 enzymes by bacterial effectors. Nature, 2016.533(7601): p. 120-4. /p p 4. Bhogaraju, S., et al., Phosphoribosylation of Ubiquitin Promotes Serine Ubiquitination and Impairs Conventional Ubiquitination. Cell, 2016. 167(6): p. 1636-1649 e13. /p p 5、Qiu, J., Yu, K., Fei, X., Liu, Y., Nakayasu, E. S., Piehowski, P. D., ... & amp Luo, Z. Q. (2017). A unique deubiquitinase that deconjugates phosphoribosyl-linked protein ubiquitination. Cell research, 27(7), 865. /p