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我院歐陽松應教授課題組中美聯合攻關研究成果在《Nature》上發表

發布者:廖元春發布時間:2019-07-23瀏覽次數:721

2019年7月22日,我院歐陽松應教授與美國普渡大學羅招慶教授共同通訊在Nature 在線發表了題為“Regulation of phosphoribosyl ubiquitinationby a calmodulin-dependent  glutamylase”的研究論文,該研究發現致病性嗜肺軍團菌(Legionella pneumophila)效應蛋白SidJ可以被宿主體內的一個鈣調蛋白Calmodulin(簡稱CaM)結合并激活,進而通過谷氨酸化修飾(Glutamylation)抑制SidE家族泛素連接酶活性的分子機理。該工作詳細解析了致病性嗜肺軍團菌效應蛋白SidJ調控SidE酶活性的分子機制,為探討谷氨酸修飾酶(glutamylase)的催化機制提供了新的體系,也為臨床治療嗜肺軍團菌感染的藥物開發提供了新靶點。

 

 

 

 

嗜肺軍團菌是一種引起肺炎的不典型致病菌,其引起的重癥肺炎俗稱“空調肺”。該菌能通過IV型分泌系統Dot/Icm分泌300多個效應蛋白到宿主細胞中,調控干擾宿主各種信號通路以輔助其自身在宿主細胞內的增殖。對這些效應蛋白的功能解析不僅有助于闡明了嗜肺軍團菌侵染宿主的分子機理,同時也能揭示新的細胞信號傳導方式和蛋白質翻譯后修飾模式【2】。眾所周知,泛素化修飾幾乎調控真核細胞的生命活動的所有方面3。在與宿主的長期博弈過程中,病原菌進化出了多種方式來干預宿主的泛素修飾系統,從而達到增強侵染效率和逃避宿主免疫監視的目的。2016年普渡大學羅招慶教授課題組在《Nature》雜志上首次報道了SidE家族效應蛋白獨立于經典的E1和E2酶的泛素化修飾的重大發現【4】,引發了廣泛關注【5-7】,該發現入選為當年度細胞信號傳遞領域的重大突破之一【8】。后續研究發現嗜肺軍團菌中的另一個效應蛋白SidJ可調控SdeA等SidE家族成員【9】,但其生化機制尚未清楚。

針對這一重要科學問題,中美兩國研究人員進行了聯合攻關。首先,通過質譜(LC-MS/MS)分析,發現SidJ誘導失活的SdeA發生129.01道爾頓的分子量漂移。進一步研究發現,SidJ能對SdeA進行谷氨酸化修飾,且 SdeA 被修飾的位點是位于其mART結構域中860位的谷氨酸殘基上,該位點是SdeAmART結構域催化的活性位點之一,主要負責水解NAD+,為泛素激活提供能量。更為有趣的是,研究者通過對SidJ序列分析,發現SidJ的C端具有一個結合CaM的保守IQ 結構域,CaM與SidJ結合形成穩定復合物,進而激活其酶活性(圖1)。

 

 

1 SidJ通過C端I841Q842 motif與CaM結合從而谷氨酸化SdeA

 

隨后研究人員解析了SidJ-CaM二元復合物以及SidJ-CaM結合AMP的三元復合物晶體結構(圖2),驚奇地發現SidJ的結構與在已知的真核生物中行使谷氨酸化修飾功能的tyrosine ligase-like(TTLL)家族酶完全不同【10】。結構解析顯示CaM能夠通過N-lobe和C-lobe與SidJ存在廣泛的結合。

 

 

SidJ-CaM(PDB:6K4K)以及SidJ-CaM-AMP(PDB:6K4R)的晶體結構及不同的ATP類似小分子對其激活的能力

 

另外,SidJ-CaM 復合體結合一個AMP殘基,揭示SidJ是在a位磷酸切割ATP,從而通過?;瘑瘟姿嵯佘栈せ畋恍揎椢稽c的谷氨酸殘基,異于常見的磷酸化激活。因此,g 位不能水解的類ATP分子仍能支持其活性。同時,在沒有SdeA的反應體系里,SidJ能發生AMP自修飾(self-AMPylation),進一步說明該反應由兩步特異的修飾完成(圖2)。在沒有受體基團的條件下,SidJ將源于ATP的AMP用于自修飾。綜合現有的研究結果,研究人員提出了SidJ結合宿主CaM催化SdeA的谷氨酸化修飾,進而導致SdeA失活的分子機制(圖3)。

 

 

3 SidJ-CaM通過形成?;瘑瘟姿嵯佘辗磻虚g物催化谷氨酸化的反應模型。

 

谷氨酸化修飾此前多見于真核細胞微管蛋白(Tubulin)的修飾,并調控多種重要細胞功能,但是其催化機理如底物識別等機制并不是非常清楚【10,11】。SidJ作為一個CaM依賴的谷氨酸化酶為進一步探討這一家族酶的作用機制提供了一個窗口。該工作是由美國普渡大學羅招慶教授課題組和福建師范大學歐陽松應教授課題組合作完成的。羅招慶教授和歐陽松應教授為本文的共同通訊作者,普渡大學羅招慶教授課題組博士生干寧海、福建師范大學生命科學學院青年教師甄向凱博士、普渡大學劉堯、以及福建師范大學南方生物醫學研究中心一年級碩士生許小龍為共同第一作者。

據悉,《Nature》同期還以背靠背的方式刊登了德國歌德大學(Goethe University)Ivan Dikic教授課題組的研究論文“Inhibition of SidE ubiquitin ligases throughSidJ/Calmodulin catalyzed glutamylation”【12】。美國西南醫學中心的研究人員在《Science》上也發表了類似的研究結果【13】。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1439-1

    參考文獻:

1. Ninghai Gan, Xiangkai Zhen, Yao Liu, Xiaolong Xu, Chunlin He, Jiazhang Qiu,Yancheng Liu, Grant M. Fujimoto, Ernesto S. Nakayasu, Biao Zhou, Lan Zhao, Kedar  Puvar, Chittaranjan Das, Songying Ouyang, Zhao-Qing Luo. Regulation of phosphoribosyl ubiquitination by a calmodulin-dependent  glutamylase Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1439-1

2. Qiu, J. & Luo, Z. Q. Legionella and Coxiella effectors: strength in diversity and activity. Nat Rev Microbiol 15, 591-605, doi:10.1038/nrmicro.2017.67 (2017).

3. Komander, D. & Rape, M. The ubiquitin code. Annual review of biochemistry 81, 203-229, doi:10.1146/annurev-biochem-060310-170328 (2012).

4. Qiu, J., Sheedlo, M. J., Yu, K., Tan, Y., Nakayasu, E. S., Das, C., Liu, X. & Luo, Z. Q. Ubiquitination independent of E1 and E2 enzymes by bacterial effectors. Nature 533, 120-124, doi:10.1038/nature17657 (2016).

5. Bhogaraju, S. & Dikic, I. Cell biology: Ubiquitination without E1 and E2 enzymes. Nature 533, 43-44, doi:10.1038/nature17888 (2016).

6. Nakasone, M. A. & Huang, D. T. Ubiquitination Accomplished: E1 and E2 Enzymes Were Not Necessary. Mol Cell 62, 807-809, doi:10.1016/j.molcel.2016.06.001 (2016).

7. Du Toit, A. Bacterial pathogenesis: Bacterial effectors skip a few steps. Nat Rev Microbiol 14, 331, doi:10.1038/nrmicro.2016.61 (2016).

8. Adler, E. M. Signaling Breakthroughs of the Year. Sci Signal 9, eg1, doi:10.1126/scisignal.aad9795 (2016).

9. Qiu, J., Yu, K., Fei, X., Liu, Y., Nakayasu, E. S., Piehowski, P. D., Shaw, J. B., Puvar, K., Das, C., Liu, X. & Luo, Z. Q. A unique deubiquitinase that deconjugates phosphoribosyl-linked protein ubiquitination. Cell Res 27, 865-881, doi:10.1038/cr.2017.66 (2017).

10. Rogowski, K., van Dijk, J., Magiera, M. M., Bosc, C., Deloulme, J. C., Bosson, A., Peris, L., Gold, N. D., Lacroix, B., Bosch Grau, M., Bec, N., Larroque, C., Desagher, S., Holzer, M., Andrieux, A., Moutin, M. J. & Janke, C. A family of protein-deglutamylating enzymes associated with neurodegeneration. Cell 143, 564-578, doi:10.1016/j.cell.2010.10.014 (2010).

11. O'Hagan, R., Silva, M., Nguyen, K. C. Q., Zhang, W., Bellotti, S., Ramadan, Y. H., Hall, D. H. & Barr, M. M. Glutamylation Regulates Transport, Specializes Function, and Sculpts the Structure of Cilia. Curr Biol 27, 3430-3441 e3436, doi:10.1016/j.cub.2017.09.066 (2017).

12.  Sagar Bhogaraju, F. B., Rukmini Mukherjee, Michael Adams, Moritz M.  Pfleiderer, Wojciech P. Galej, Vigor Matkovic, Sissy Kalayil, Donghyuk Shin, Ivan  Dikic,. Inhibition of SidE ubiquitin ligases through SidJ/Calmodulin catalyzed glutamylation Nature (2019). DOI:10.1038/s41586-019-1440-8

13. Black, M. H., Osinski, A., Gradowski, M., Servage, K. A., Pawlowski, K., Tomchick, D. R. & Tagliabracci, V. S. Bacterial pseudokinase catalyzes protein polyglutamylation to inhibit the SidE-family ubiquitin ligases. Science 364, 787-792, doi:10.1126/science.aaw7446 (2019).


(文章轉自inature公眾號)


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