北京生科所发表Science文章

　　

生物通报道：来自北京生命科学研究所，华盛顿大学，霍德华休斯医学院的研究人员报道了病原细菌效应蛋白通过直接共价修饰并失活宿主细胞中的泛素和泛素类蛋白从而导致宿主泛素信号通路发生功能紊乱的新的致病机制。这篇题为“Glutamine deamidation and dysfunction of ubiquitin/NEDD8 induced by a bacterial effector family”的文章公布在上周刚出版的Science杂志在线版上。

领导这一研究的是邵峰博士，其实验室主要研究兴趣是研究细菌病原体和宿主细胞相互作用过程中的生物化学机制，这一研究成果得到了科技部863和北京市科委资助课题，之前邵峰研究小组也曾在《Science》杂志上报道，志贺氏菌属（shigella）的III型受体OspF能够抑制丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶(mitogen-activated protein kinase phosphatase，MAKP)家族成员MAKP-1和MAKP-2，以及c-Jun N-terminal 激酶和p38。

通过三型分泌系统分泌效应分子进入真核细胞内，进而阻断或调节宿主关键信号转导通路是许多病原菌普遍采用的致病机制。寻找效应分子在宿主细胞中的靶蛋白并阐明其作用于靶蛋白及相关信号通路的生物化学机理对我们了解病原菌致病机理和建立有效防治手段有着重要的意义。同时，这也可能促进我们对真核细胞本身信号转导机制的进一步理解。

来自类鼻疽杆菌(Burkholderia pseudomallei)的CHBP和来自致病性大肠杆菌（Enteropathogenic E. coli）的Cif是一类具有木瓜蛋白酶催化结构域的三型分泌效应蛋白，这类效应分子具有阻断宿主细胞周期的活性。

在这项研究中，邵峰小组首先发现CHBP具有很强的抑制真核细胞的泛素链形成（ubiquitination）的活性，这种活性依赖于CHBP的类木瓜蛋白酶的催化活性。一系列的生化实验分析揭示了泛素（ubiquitin）蛋白第40位的谷氨酰胺（Gln-40）在CHBP的作用后发生了脱氨反应，变成了谷氨酸。因此，CHBP性质上是一个泛素脱氨酶（deamidase）。利用分子生物学的方法直接将泛素的Gln-40突变为谷氨酸后，不管是在体外还是在细胞内，这样的突变泛素分子都丧失了形成泛素链的活性。在进一步检测了CHBP是否也作用其他泛素类蛋白时，邵峰小组发现CHBP能够，也只能够对一个叫做NEDD8的泛素类蛋白起同样的脱氨修饰作用，并且活性要更强一些。在Burkholderia的感染宿主细胞的实验中，他们也验证了通过三型分泌系统分泌的CHBP能够导致宿主细胞中几乎所有的NEDD8和大约一半的泛素分子发生脱氨化修饰。

有趣的是，当用带有Cif的致病性大肠杆菌感染宿主细胞时，他们发现NEDD8被完全修饰，而泛素却一点都没有。这与体外观察到的Cif对NEDD8有很强的偏好性是一致的。在感染的细胞中，只有受Cullin泛素连接酶复合物调控降解的底物蛋白的泛素化和降解受到了明显的抑制作用。NEDD8的功能是和Cullin蛋白发生类似于单泛素化的共价修饰（这个修饰作用也被叫做neddylation）。已知NEDD8修饰可以大大增强Cullin泛素连接酶复合物的活性，但令人吃惊的是，当Cullin分子被经过脱氨的NEDD8修饰后，其泛素连接酶活性不仅没有被上调，反而却受到了极大的抑制。这个结果完美地解释了体内观察到的Cullin底物泛素化和降解受到特异性抑制的现象。更进一步，在真核细胞中直接异位表达脱氨化的NEDD8能够模拟致病性大肠杆菌的感染作用，这些作用包括Cullin底物的特异性积累，细胞周期运转受到抑制，以及细胞出现很强的应力纤维。事实上，应力纤维的出现正是由于邵峰实验室此前的研究中发现的CUL3/BACURD泛素连接酶复合物（Chen et al., Molecular Cell, 2009）在NEDD8被脱氨后，其泛素化和降解RhoA的功能受到了抑制。

这项研究揭示了一种全新的、通过分泌效应蛋白直接修饰宿主中泛素和泛素类蛋白（NEDD8）从而阻断宿主泛素化通路的病原菌致病机制。更为重要的是，这种对泛素和NEDD8的特异性脱氨修饰也为我们研究蛋白质泛素化的机制（为何Gln-40脱氨化的泛素不能在泛素连接酶催化下成泛素链）以及NEDD8是如何活化Cullin泛素连接酶的生物化学机制研究提供了一个新的、独特的研究途径和思路。这项研究也有力地说明对病原菌效应蛋白的研究可以为我们了解真核本身的细胞生物化学机制提供独特的角度，有着重要的意义。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Glutamine Deamidation and Dysfunction of Ubiquitin/NEDD8 Induced by a Bacterial Effector Family
A family of bacterial effectors including CHBP from Burkholderia pseudomallei and Cif from Enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) adopt a functionally important papain-like hydrolytic fold. We show here that CHBP was a potent inhibitor of the eukaryotic ubiquitination pathway. CHBP acted as a deamidase that specifically and efficiently deamidated Gln-40 in ubiquitin and ubiquitin-like protein NEDD8 both in vitro and during Burkholderia infection. Deamidated ubiquitin was impaired in supporting ubiquitin-chain synthesis. Cif selectively deamidated NEDD8, which abolished the activity of neddylated Cullin-RING ubiquitin ligases (CRLs). Ubiquitination and ubiquitin-dependent degradation of multiple CRL substrates were impaired by Cif in EPEC-infected cells. Mutations of substrate-contacting residues in Cif abolished or attenuated EPEC-induced cytopathic phenotypes of cell cycle arrest and actin stress fiber formation.

作者简介：

邵峰博士
北京生命科学研究所研究员

教育经历

Education:

1996年
中国北京大学技术物理系应用化学专业学士


B.S. Department of Technical Physics at Peking University, Beijing, China

2003年
美国密西根大学医学院生物化学博士


Ph.D. the laboratory of Dr. Jack E. Dixon at Department of Biological Chemistry, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, Michigan, USA


工作经历

Professional Experience:

2009-present
北京生命科学研究所高级研究员


Associate Investigator at National Institute of Biological Sciences, Beijing, China

2005-2009
北京生命科学研究所研究员


Assistant Investigator at National Institute of Biological Sciences, Beijing, China

2004-2005
美国哈佛大学医学院博士后研究


Damon Runyon Postdoctoral Research Fellow, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts, USA

2003-2004
美国加洲大学圣地亚哥分校医学院博士后研究


Postdoctoral Research Fellow, School of Medicine, University of California, San Diego, USA



研究概述：

本实验室研究兴趣主要在于研究细菌病原体和宿主细胞相互作用过程中的生物化学机制，研究目标是希望能够发现病原体在抑制真核宿主细胞免疫信号系统中一些新的作用方式，以帮助我们理解相关病原菌的致病机理。实验室的一个研究方向是研究志贺氏痢疾杆菌是如何通过分泌各种效应分子进入真核宿主体内进而干扰宿主的免疫防御机制。从研究志贺氏痢疾杆菌致病的分子机制出发，实验室在最近的研究中发现并定义了一类广泛存在于多种细菌病原体(包括志贺氏痢疾杆菌)中新的磷酸化苏氨酸裂解酶。这种酶能够特异识别并不可逆地“去磷酸化”宿主的MAPK激酶。这种全新的酶学活性和共价修饰使得这些病原菌在感染后能够迅速和有效地抑制真核宿主的MAPK激酶介导的免疫信号通路。目前，实验室也在集中研究其它几个志贺氏痢疾杆菌效应分子的生化和生物学功能。实验室希望通过结合多种生物化学和细胞生物学的手段来研究并阐明这些效应分子是如何协同作用以及它们在志贺氏痢疾杆菌感染和致病过程中所扮演的角色。同时，本实验室对蛋白质泛素化及泛素降解通路在细胞周期，细胞增殖以及肿瘤形成过程的作用感兴趣。最近的研究结果表明一类含有BTB结构域的蛋白可能作为一种由CUL3组装的新的泛素E3连接酶复合物的特异性连接分子。目前的研究工作集中在验证这些新的BTB蛋白能够通过CUL3依赖性的泛素化通路调节细胞周期和细胞增殖并阐明其机制。后续的工作将进一步研究这些新的蛋白降解通路在某些肿瘤细胞增殖中所起的作用。