生科院周艳课题组在线发表论文揭示一类广泛存在于病原菌中的新型...

　　

2023年11月9日，浙江大学生命科学学院微生物研究所周艳研究员在Nature Chemical Biology杂志在线发表题为"Molecular basis of threonine ADP-ribosylation of ubiquitin by bacterial ARTs"的研究论文。该研究通过解析在不同催化状态下的病原菌效应蛋白CteC与泛素复合物结构、以及进一步的生化和进化生物学分析，揭示了CteC特异性识别泛素并对其进行ADP-核糖基化修饰的分子机制，发现CteC代表了一类广泛存在于病原菌中的、新型D-E家族ADP-核糖基转移酶（ART）。

ADP-核糖基化修饰（ADP-ribosylation）是一种普遍存在于病毒、原核和真核生物中的蛋白质翻译后修饰，广泛参与DNA损伤修复、信号转导和病原菌感染等重要的生命过程。ADP-核糖基化修饰是由ADP-核糖基转移酶（ADP-ribosyltransferases，ARTs）催化形成的。ARTs将配体分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）中的ADP核糖基团转移到底物上，从而影响底物蛋白质的活性、稳定性或蛋白质之间的相互作用，从而对底物功能进行调控。

病原菌在感染过程中通过各种分泌系统向宿主细胞注射效应蛋白。这些效应蛋白常常靶向宿主细胞关键信号分子，操控信号通路，抑制宿主免疫防御反应，以促进病原菌的侵染。2020年周艳课题组报道了紫色色杆菌分泌的效应蛋白CteC特异地识别宿主泛素分子，对其进行新型的苏氨酸ADP-核糖基化修饰，从而阻断宿主泛素信号通路（Molecular Cell, 78(4): 641-652）。然而，CteC是否具有独特的结构特征、如何特异识别泛素进行ADP-核糖基化修饰的分子机制仍不清楚。

在这项研究中，作者首先解析了CteC-Ub、CteC-Ub-NAD⁺ 和CteC E220A–Ub–NAD⁺的复合物结构，发现CteC的三维结构由相对独立的底物识别结构域和ART酶活结构域两部分构成。CteC的底物识别结构域，主要通过疏水相互作用特异性结合泛素的I44区域。CteC的酶活结构域以一种非经典的half-ligand结合方式，结合配体分子NAD⁺的磷酸基团和烟酰胺基团。CteC通过底物识别结构域识别泛素后，发生构象变化，从而靠近泛素第66位苏氨酸（T66），并利用催化氨基酸D134和E220介导NAD⁺的切割，最终将ADP-核糖基团转移到泛素上。

以往研究中，ADP-核糖基转移酶根据催化保守氨基酸基序和结构折叠模式的不同，分为R-S-E和H-Y-E两大家族。本项研究在获得CteC结构后，通过结构比较和进化生物学分析，发现相对于R-S-E家族ART，CteC的结构折叠模式更接近于H-Y-E家族ART，尤其和H-Y-E家族中真核PARP家族ART很相似。与真核PARP2-HPF1的结构比对显示，CteC的D134、E220分别与HPF1的E284、PARP2的E545相对应，形成了独特的D-E催化基序。这项研究通过进一步的结构同源搜索，发现在多种微生物（包括细菌和真核微生物）中广泛存在着与CteC结构相似且具有保守D-E催化基序的蛋白，并证明这类蛋白都具有ADP-核糖基转移酶活性，说明D-E家族ART在微生物中可能发挥更为广泛的生物学功能。

这项研究不仅揭示了病原菌效应蛋白CteC对泛素进行苏氨酸ADP-核糖基化修饰的分子机制，更为重要的是发现了以CteC为代表的一类新型的具有D-E催化基序的独特ADP-核糖基转移酶家族，扩展了ADP-核糖基转移酶家族的新类别。

周艳研究员为该项研究的通讯作者，联合培养博士后谭加兴、生命科学研究院博士生徐艳和青年研究员王小飞为本文的共同第一作者，参于该研究的人员还有联合培养博士后阎芙洁、北京大学医学部刘小云研究员和研究生冼伟、浙江大学附属第二医院主任医师陈焰、浙江大学生命科学研究院朱永群教授。该工作获得国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、国家万人计划青年拔尖人才和中央高校基本科研经费的资助。

周艳课题组围绕细菌感染性疾病发生机制，长期开展细菌致病因子生物学功能研究，为相关疾病的诊疗提供新策略，为生物学研究工具的开发提供新思路。欢迎感兴趣的博士后和研究生联系并申请加入。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41589-023-01475-3