6月2日，《自然-通讯》（ communications）杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所高璞课题组的研究论文insights into catalysis and regulation of non-canonical ubiquitination and deubiquitination by bacterial deamidase effectors。该工作解析了来源于高致病性嗜肺军团菌（legionella pneumophila）的新型泛素化酶mavc与底物蛋白ube2n及泛素分子的复合物结构，并同时解析了mavc及其同源蛋白mvca与负调控因子lpg2149的两种复合物结构。结合大量生化和细胞实验，阐明了这种新型泛素化修饰系统催化和调控的分子机制。
蛋白质泛素化修饰是真核细胞最重要的翻译后修饰之一。经典的泛素化修饰需要通过e1-e2-e3三酶级联反应来催化完成，而近期鉴定的两类l. pneumophila效应蛋白（side和mavc）却可以通过不依赖e1-e2-e3的全新方式催化宿主蛋白的泛素化修饰（图1）。高璞课题组曾于2018年在cell 杂志报道了side家族蛋白催化反应的结构和分子机制，而此项最新工作则主要是围绕mavc家族蛋白展开研究。
mavc所在基因组簇可编码三种效应蛋白：lpg2147（mavc），lpg2148（mavc paralog a或mvca）和lpg2149。mavc和mvca均可以催化泛素分子的脱氨反应（ub-q40转变为ub-e40），而lpg2149则可以抑制这两种脱氨酶的活性。近期的研究表明，mavc还可以特异性泛素化修饰宿主蛋白ube2n，进而抑制ube2n的正常e2功能，从而抑制nf-κb通路的活化。有趣的是，尽管mvca与mavc非常类似，但mvca却不能催化ube2n泛素化。
研究人员利用mavc催化制备了泛素化修饰的ube2n（ube2n~ub），并解析了mavc与ube2n~ub复合物的晶体结构（图2a）。该结构直接揭示了mavc与ube2n以及ub的互作界面，并表明mavc利用同一个活性中心催化脱氨反应及泛素化反应。mvca与mavc的序列和结构比较表明，mvca的insertion结构域中并不保守存在能够与ube2n结合的关键氨基酸，这也解释了为何mvca不能稳定结合游离状态的ube2n，以及为何不能催化ube2n的泛素化修饰。这些基于结构所得的结论，也进一步通过生化和细胞实验获得了验证。
出乎意料的是，mavc和mvca还具备去泛素化酶的活性，可以特异性去除mavc介导的ube2n泛素化修饰（图2b）。由于mvca比mavc的去泛素化活性更强，因而在实际感染中mavc和mvca很可能分别发挥泛素化酶和去泛素化酶的功能。这一发现表明mavc可以利用同一个活性口袋来催化脱氨、泛素化以及去泛素化三种酶学反应，同时鉴定了mavc是目前为止第一个能够同时添加和去除同一类泛素化修饰的酶。
研究人员进一步解析了mavc lpg2149复合物和mvca lpg2149复合物的晶体结构（图2a）。与游离状态下的晶体结构呈现紧密二聚体不同，lpg2149以单体形式与mavc或mvca相互作用。由于lpg2149和ub占据相似的结合位置，说明lpg2149可以直接干扰ub与mavc/mvca的相互作用。功能实验表明，lpg2149确实可以同时抑制脱氨、泛素化及去泛素化。有意思的是，游离状态的mavc本身就具备lpg2149的结合构象，而mvca则需要发生较大的构象变化来实现与lpg2149的结合。进一步的结合实验表明，mavc-lpg2149的亲和力比mvca-lpg2149强约50倍，这与结构分析是一致的。
综上，该研究较为完整地阐明了mavc介导的新型泛素化修饰的催化和调控机制，既有助于理解病原与宿主相互博弈的多样性机制，也可为新型抗细菌疗法的设计提供思路。
研究员高璞为通讯作者，其课题组副研究员王勇和生展琪为共同第一作者。研究员高光侠及其课题组副研究员王新路指导并开展了细胞实验。上海光源为晶体数据收集提供了支持。生物物理所平台研究员杨福全和王继峰为质谱分析提供了帮助，陈媛媛为itc实验提供了帮助。此研究得到国家自然科学基金委、科技部及中科院的经费支持。
图1：病原菌编码的两种新型泛素化修饰系统
图2：a, mavc ube2n~ub、mavc lpg2149和mvca lpg2149三种复合物的晶体结构；b, mavc（上）和mvca（下）催化ube2n~ub去泛素化的切割位点。
研究团队单位：生物物理研究所
