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科研进展

邵峰实验室发现病原菌效应蛋白具有全新的磷脂酰肌醇激酶活性

发布时间:2016/12/15

20161212日,我所邵峰实验室在《Nature Microbiology》杂志在线发表题为“Modulation of membrane phosphoinositide dynamics by the phosphatidylinositide 4-kinase activity of the Legionella LepB effector”的研究论文。该文章报道了嗜肺军团菌效应蛋白LepB利用全新的磷脂酰肌醇激酶活性,协同该细菌编码的磷脂酰肌醇磷酸酶,共同调节嗜肺军团菌赖以生存的膜泡的成熟。

嗜肺军团菌感染肺泡巨噬细胞,引发严重的肺炎。嗜肺军团菌感染一个重要特征是包含嗜肺军团菌的膜泡(LCV)并不像一般吞噬泡那样最终和溶酶体融合被降解,反而成为细菌大量繁殖的场所,LCV的形成完全依赖于嗜肺军团菌四型分泌系统。LepB是嗜肺军团菌的一个四型分泌系统效应蛋白,催化小G蛋白Rab1的水解和失活,在细菌操控宿主细胞膜泡运输中起关键作用。在此前的研究中,邵峰实验室曾用结构生物学的手段解析了LepB通过其RabGAP结构域失活宿主Rab1蛋白的的机制。

在这项深入的研究中,邵峰实验室的研究人员利用酵母体系意外地发现LepBN端还有一个隐藏的独立功能结构域,有趣的是,通过解析LepB蛋白的晶体结构,他们发现该结构域与一些非经典的激酶具有一定的相似度,揭示该结构域可能具有激酶活性。他们还发现在真核细胞中异位表达LepBN端结构域会破坏反式和中间高尔基体结构,而对顺式高尔基体的形态几乎没有影响,而基于晶体结构的点突变实验结果说明LepBN端结构域对高尔基体的破坏作用依赖于其可能的激酶活性,但在进行了大量尝试后,他们并没有找到能够被LepBN端磷酸化的蛋白底物。后来,通过查阅大量文献,研究人员注意到LepB的作用与在细胞内过量表达PtdIns4PPH结构域非常相似,紧接着他们利用各种已知的结合磷脂酰肌醇的荧光探针,最终发现LepBN端结构域会导致细胞内膜系统上的PtdIns3P消失,同时显著改变PtdIns(3,4)P2的分布,这说明LepB的激酶活性可能和磷脂酰肌醇有关。他们然后以各种磷脂酰肌醇为底物进行体外激酶反应实验,发现LepBN端结构域具有非常强的4-磷酸激酶活性,特异性地作用于PtdIns3P,将其转化为PtdIns(3,4)P2

磷脂酰肌醇对嗜肺军团菌膜泡的形成至关重要,前人的研究已经证实嗜肺军团菌膜泡上的磷脂酰肌醇主要是PtdIns4P,但长期以来人们并不清楚PtdIns4P是如何生成的。通常激酶和磷酸酶协同调节磷酸基的转移和变化,通过筛选一系列可能具有磷酸酶活性的嗜肺军团菌蛋白,这项研究发现SidF能够拮抗LepBN端结构域引起的酵母致死以及磷脂酰肌醇分布模式的紊乱。值得注意的是,SidF活性是以PtdIns(3,4)P2为底物,催化去磷酸化生成PtdIns4P。进一步细菌感染实验表明LepB或者SidF的单缺失或者双缺失导致的嗜肺军团菌膜泡上的PtdIns4P的降低的程度没有明显的差别,说明这两个蛋白协同调节嗜肺军团菌膜泡上的PtdIns4P的生成。

该研究是第一次发现病原菌效应蛋白具有磷脂酰肌醇激酶活性,并且由于真核细胞中合成PtdIns(3,4)P2的激酶都是以PtdIns4P为底物通过3-磷酸激酶活性实现,所以LepB的磷脂酰肌醇激酶活性也具有独特性和新颖性,是研究胞内磷脂酰肌醇复杂动态变化的一个新工具。该研究也预示其它病原细菌也可能分泌具有磷脂酰肌醇激酶的效应蛋白以帮助细菌操控细胞内膜泡运输,促进细菌在宿主内的生存和繁殖。

邵峰实验室的博士后董娜和我所与协和医学院联合培养博士生牛苗为本文共同第一作者,其他参加该工作的还有邵峰实验室的技术员胡丽燕,博士后姚庆和毕设学生周瑞。邵峰博士和董娜博士为本文共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金委员会,科技部973项目,中科院先导计划、北京市政府和美国霍华德-休斯医学研究所资助,在北京生命科学研究所完成。