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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

發布時間:2020年06月04日

  2020年6月2日,《Nature Communications》雜志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"。該工作解析了來源于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及泛素分子的復合物結構,并同時解析了MavC及其同源蛋白MvcA與負調控因子Lpg2149的兩種復合物結構。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后修飾之一。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,而近期鑒定的兩類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)。高璞課題組曾于2018年在《Cell》雜志報道了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,盡管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催化制備了泛素化修飾的UBE2N(UBE2N~Ub),并解析了MavC與UBE2N~Ub復合物的晶體結構(圖2a)。該結構直接揭示了MavC與UBE2N以及Ub的互作界面,并表明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結構域中并不保守存在能夠與UBE2N結合的關鍵氨基酸,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。這些基于結構所得的結論,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)。由于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,同時鑒定了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復合物和MvcA+Lpg2149復合物的晶體結構(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。由于Lpg2149和Ub占據相似的結合位置,說明Lpg2149可以直接干擾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,既有助于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并開展了細胞實驗。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+Lpg2149三種復合物的晶體結構;b, MavC(上)和MvcA(下)催化UBE2N~Ub去泛素化的切割位點。

  媒體報道:http://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1236257.html

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16587-w

(供稿:高璞研究組)

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