浙江大学生命科学研究院朱永群教授实验室于2013年4月25日在著名病原学杂志PLOS Pathogens上发表题为“Complex Structure of OspI and Ubc13: The Molecular Basis of Ubc13 Deamidation and Convergence of Bacterial and Host E2 Recognition”的研究论文。
痢疾杆菌是一种能够侵入肠上皮细胞、并引起人类痢疾病的致病菌，它能够通过一个独特的三型分泌系统，将其毒性效应蛋白注射到宿主细胞中，分泌到宿主细胞中的效应蛋白能够作用于宿主细胞的关键信号分子，调节宿主细胞的信号通路，以利于痢疾杆菌在宿主细胞内的生存和大量繁殖，从而导致具有腹泻、溃疡、肠炎等严重病症的人类痢疾病。OspI是痢疾杆菌一个重要的效应蛋白，能够特异地作用于宿主细胞中重要的泛素结合酶Ubc13，并将其第100位天冬酰胺脱酰胺化，使之失活，从而抑制宿主细胞的NF-kB天然免疫信号通路。然而，OspI如何识别Ubc13以及如何催化脱酰胺化反应的分子机制并不清楚。
在这项研究中，朱永群教授实验室首先通过结构测定工作，解析了OspI和Ubc13的复合物三维结构。随后的结构分析发现，OspI利用一个酸性表面和一个疏水口袋从底部分别结合到Ubc13的H1和L1、L2区域。进一步的突变实验、体外酶学、细胞内NF-kB信号通路分析、以及痢疾杆菌感染等实验证明，负责结合Ubc13的氨基酸残基对OspI催化Ubc13脱酰胺化以及抑制NF-kB信号通路都至关重要，充分证明了前期结构分析结论的正确性。随后，又通过巧妙的氨基酸片断交换实验和体外pull-down实验，清晰地揭示了OspI是通过结合Ubc13上H1和L2区域的特异氨基酸残基，对Ubc13和其它宿主细胞内的泛素结合酶进行区分，实现对Ubc13特异的识别。不仅如此，通过竞争结合和泛素化等实验，惊奇地发现了OspI不仅具有脱酰胺酶的活性，而且还具有结合排斥活性，能够将宿主泛素连接酶TRAF6直接从Ubc13上排挤下来。OspI正是利用这个双重活性，有效地抑制了宿主细胞的NF-κB天然免疫信号通路。非常有意思的是，当用OspI-Ubc13复合物结构和宿主蛋白与Ubc13多个复合物进行结构比较时，发现OspI在Ubc13上的识别位点与宿主泛素连接酶TRAF6、CHIP以及去泛素化OTUB1在Ubc13上的识别位点几乎完全重叠，说明OspI和宿主蛋白都是结合到了Ubc13同一表面上，表明痢疾杆菌和宿主细胞在经过长期彼此斗争的共进化过程后，在泛素结合酶的识别上具有了进化趋同性。
这项研究不仅阐明了痢疾杆菌效应蛋白OspI对宿主细胞内关键泛素结合酶Ubc13脱酰胺化的失活机制，而且在国际上首次报道病原菌效应蛋白和宿主蛋白在泛素结合酶的识别上具有进化趋同性。由于泛素结合酶的功能重要性以及泛素结合酶的相关调节机制所知甚少，这项研究成果大大促进了人们对泛素结合酶功能调节的认识。
朱永群博士为本文的通讯作者，研究生傅盼翰为本文第一作者，研究生张小庆和金梦梦为共同第一作者。其他参与工作的还有技术员徐丽、研究生王�以及夏总平博士。这项工作得到了浙江大学基本科研业务费专项资金、国家自然基金委以及浙江省基金委的资助，该项研究从起始设计到最终发表整个工作过程在浙江大学生命科学研究院完成。
浙江大学生命科学研究院
2013年4月26日
