研究揭示病原菌通過新穎的精氨酸糖基化修飾阻斷 宿主死亡受體信號通路的完整分子機理

4月10日，中國科學院生物物理研究所王大成/丁璟珒研究組同北京生命科學研究所邵峰研究組、華中農業大學李姍研究組合作，在Molecular Cell 雜誌在線發表題為Structural and functional insights into host death domains inactivation by the bacterial arginine GlcNAcyltransferase effector 的研究論文。該研究完整地揭示了腸致病性大腸桿菌（EPEC）三型分泌系統效應蛋白NleB特異地識別並糖基化修飾宿主死亡結構域的關鍵精氨酸，阻斷宿主死亡受體信號通路的分子機理。

許多病原菌在感染宿主時都會通過專門的分泌系統將一系列效應蛋白注入宿主細胞內，這些效應蛋白作用於宿主細胞內不同的靶蛋白，通過新穎的翻譯後修飾對宿主細胞內正常的信號轉導發揮非常精緻的操縱和破壞，從而幫助病原菌建立感染或逃避宿主細胞的免疫防禦。病原菌通過效應蛋白破壞宿主細胞的正常信號轉導是病原菌和宿主相互作用的重要體現。死亡受體信號通路是宿主細胞生長發育以及T細胞免疫殺傷的重要通路，通過定位在細胞膜上的TNF受體家族蛋白識別胞外分泌的細胞因子或靶細胞表面的死亡信號配體而活化，在跨膜信號轉導後介導胞內信號複合體的組裝，通過激活下游的NF-κB轉錄因子促進細胞的炎症應答，或招募和活化caspase蛋白酶啟動程序化的細胞凋亡。越來越多的研究表明，死亡受體信號通路在宿主拮抗病原菌感染的過程中發揮重要作用，可以被認為是廣義範疇的天然免疫防禦。

腸致病性大腸桿菌EPEC是一種重要的病原菌，通過感染腸上皮細胞，引起腹瀉、腸炎等腸道疾病，嚴重危害人類健康。2013年邵峰研究組發現，EPEC通過分泌特異的三型分泌系統效應蛋白NleB阻斷宿主死亡受體信號通路，幫助病原菌在宿主腸道內定植和感染。進一步生化研究表明，NleB具有糖基轉移酶活性，能夠特異地糖基化修飾（N-乙醯葡萄糖氨基修飾，GlcNAcylation）宿主死亡受體信號通路中死亡結構域上的一個關鍵精氨酸，從而阻斷死亡結構域的相互作用和胞內信號複合體的組裝，而發生在精氨酸上的GlcNAcylation不同於宿主細胞內常見的各種糖基化修飾，是一種新穎的蛋白質翻譯後修飾。但是NleB如何特異地識別宿主靶蛋白死亡結構域，又是如何催化新穎的精氨酸GlcNAcylation來阻斷宿主死亡受體信號通路的分子機制完全不清楚。

在這項研究中，研究人員成功地解析了EPEC效應蛋白NleB以及與宿主靶蛋白死亡結構域複合物、NleB修飾的糖基化死亡結構域產物的三維結構，再結合定點突變和體外糖基化修飾實驗、修飾產物的核磁共振分析、NleB介導的細胞凋亡抑制實驗、細菌在小鼠腸道感染定植的實驗，以及死亡結構域相互作用的實驗，首次清晰地揭示了病原菌通過新穎的精氨酸糖基化修飾阻斷宿主死亡受體信號通路的完整分子機理。NleB通過分子間作用面上一系列保守的氫鍵和靜電相互作用特異地識別並選擇性地修飾某些死亡結構域底物。底物的精氨酸側鏈伸入NleB催化中心狹長的口袋，其胍基末端的N原子與NleB的E253以雙氫鍵作用牢牢結合，E253作為催化鹼活化精氨酸的胍基成為親核試劑，通過直接的親核取代反應，GlcNAc以β構型糖苷鍵共價連接到精氨酸側鏈上，完成精氨酸的GlcNAcylation。NleB修飾底物的糖基供體是核苷糖UDP-GlcNAc，供體中連接UDP與GlcNAc的糖苷鍵為α構型，也就是說NleB是以inverting的催化機制完成精氨酸的糖基化修飾。此外，NleB可以高效地抑制死亡受體信號通路中多種死亡結構域間的相互作用，表明NleB是一種多效價的死亡受體信號通路抑製劑。

該研究不僅極大地豐富了人們對病原菌通過新穎的翻譯後修飾破壞宿主關鍵信號通路的認識，為針對NleB開發拮抗EPEC感染的抗菌藥物奠定了堅實的理論依據。更為重要的是，NleB介導的精氨酸糖基化不同於真核生物已知的各種糖基化修飾，這一研究成果為這種全新的蛋白質翻譯後修飾的酶學反應機理提供了全面深入的理解，對病原菌效應蛋白NleB的改造和應用也將成為研究宿主死亡受體信號通路複雜多樣的功能和調控機制的重要手段。

丁璟珒、邵峰和李姍為論文的共同通訊作者，生物物理所為第一完成單位。該項目得到國家科技部重點研發計劃，中科院戰略科技先導專項和中科院青促會項目的支持。

EPEC效應蛋白NleB特異識別並糖基化修飾宿主死亡結構域的關鍵精氨酸，阻斷宿主死亡受體信號通路的示意圖

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