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朱永群实验室在Science上发表研究论文报道了病原细菌效应因子调节宿主肌动蛋白细胞骨架信号通路的分子机制

时间:2017年10月27日 访问次数:1774

20171027日,我院朱永群实验室在Science杂志上发表题为“Nε-Fatty Acylation of Rho GTPases by a MARTX Toxin Effector”的研究论文,报道了病原细菌MARTX毒素的保守效应因子RID通过对Rho家族小G蛋白的赖氨酸长链脂肪酰化修饰,调节宿主肌动蛋白细胞骨架信号通路的分子机制。

MARTX毒素是一类具有4000-5000个氨基酸残基的大毒素家族,广泛存在于包括霍乱弧菌、创伤弧菌等病原细菌中,其N端和C端具有独特的RTX重复序列结构域,中间区域具有多个效应因子结构域,其中RIDMARTX毒素家族中非常保守的一个效应因子结构域。MARTX毒素通过N端和C端的RTX结构域,插入宿主细胞质膜上,然后通过真核细胞特有的IP6分子激活半胱氨酸蛋白酶结构域,切割并释放毒素中间的效应因子结构域,到宿主细胞胞质中。这些释放的效应因子作用于宿主关键信号分子,调节宿主信号通路。2007年美国西北大学Karla F. Satchell教授实验室发现保守的RID效应因子能够破坏宿主肌动蛋白细胞骨架,引起细胞变圆,然而RID的作用机制完全不清楚。

在这项研究中,我们发现RID能特异地识别和修饰宿主关键信号分子Rho家族小G蛋白Rac1,导致Rac1SDS-PAGE胶中向下迁移,细胞内结合GTP的活性形式Rac1大量减少,修饰后的Rac1不能被宿主Rho GDI结合,从而导致所有被RID修饰的Rac1全部滞留在细胞膜上,打断了Rac1从细胞膜到细胞质中的循环。RID是一个具有“U”形结构的分子,其N端能特异地结合细胞质膜特有成份PI(4,5)P2C端是一个反置木瓜蛋白酶折叠模式的酶学结构域,和人类脂肪酰基转移酶HRASLS3结构具有很大的相似性。RID能以棕榈酰辅酶A等长链脂肪酰辅酶A为配体,利用脂肪酰基转移酶活性,在体内和体外有效地修饰Rac1C端多碱性区域的赖氨酸残基。重要的是,被RID修饰后的Rac1既不能被宿主的上游激活蛋白GEF分子激活,也不能激活信号通路中下游信号分子PAK1,导致Rac1的功能彻底丧失。RID还能修饰Rac1同一家族的Rac2Rac3,但因为不能与该家族其他成员结合,RID对其他家族成员小G白的活性很弱。在细菌感染过程中,RID能有效地抑制由Rac1调节的宿主免疫吞噬作用、细胞迁移和抗菌氧自由基的产生,并在小鼠感染中RID对创伤弧菌的致病性至关重要。由于具有MARTX毒素的霍乱弧菌和创伤弧菌对人类健康构成了重大威胁,该研究对深入认识相关疾病的发生具有重要意义,同时也证明了C端多碱性区域对于小G蛋白在细胞骨架信号通路以及免疫防御反应中发挥重要作用是至关重要的。

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图:RID失活Rac1、调节宿主肌动蛋白细胞骨架信号通路的分子机制示意图

朱永群实验室的周艳博士和博士生黄春峰为本文的共同第一作者,朱永群教授为本文的通讯作者。该项研究获得了合作单位北京生命科学研究所邵峰院士实验室提供的大量帮助,他实验室在此之前发现来自痢疾杆菌的RID低同源三型效应蛋白IcsB具有脂肪酰基转移酶活性,能够对宿主RhoA蛋白进行赖氨酸脂肪酰化修饰,为这项研究的顺利实施提供了基础。参加该研究的还有朱永群实验室研究生的万木阳、王小飞、王钊和已毕业的研究生尹莉、张妮、傅盼翰。北京大学的刘小云研究员、刘艳华博士和北京生命科学研究所的陈涉研究员、技术员李琳完成了质谱分析工作。感谢本院的冯新华教授、加州大学圣地亚哥分校管坤良教授、厦门大学韩家淮院士、清华大学陈柱成教授、贝勒医学院周征教授在试剂方面提供的无私帮助。该工作获得国家自然科学基金委、省自然科学基金委、科技部、英国皇家学会和中央高校基本科研经费的资助。

原文链接:http://science.sciencemag.org/content/358/6362/528