卲峰实验室揭示病原菌毒力效应蛋白IcsB通过全新的脂肪酰基转移酶活性拮抗宿主防御的分子机制

2018年7月30日，我所邵峰实验室在《Nature Microbiology》杂志在线发表题为“N^ε-fatty acylation of multiple membrane-associated proteins by Shigella IcsB effector to modulate host function”的研究论文，该文章首次报道了志贺氏痢疾杆菌的三型分泌系统效应蛋白IcsB具有全新的长链脂肪酰基转移酶活性，通过修饰宿主中多个膜相关蛋白帮助拮抗宿主防御的分子机制。

志贺氏痢疾杆菌（Shigella flexneri）是导致痢疾（bacillary dysentery）和志贺氏菌病（Shigellosis）的主要病菌。和其它很多革兰氏阴性致病菌类似，志贺氏痢疾杆菌也通过其三型分泌系统向宿主细胞内注射多个效应蛋白，干扰或抑制宿主防御相关的通路，进而促进细菌感染和增值。IcsB是志贺氏痢疾杆菌中最早发现的三型分泌效应蛋白之一，对于细菌的致病力至关重要。此前的研究表明，IcsB可以调控宿主的多个细胞活动，包括促使细胞膜上的细菌突触破裂从而帮助细菌传播、促进痢疾杆菌从限制细菌的Septin cage中逃逸、抑制宿主的细胞自噬防御。然而，IcsB发挥这些功能的具体的分子机制并不清楚。

在这项研究中，邵峰实验室的研究人员首先发现在酵母细胞或哺乳动物细胞中异位表达IcsB，会产生很强的细胞毒性，抑制细胞生长，并且，表达IcsB的细胞会有明显的形态变化：从舒展的贴壁状态变成漂浮的圆球状。这种形态变化暗示IcsB可能是直接或间接破坏了宿主的细胞骨架结构。 进一步的研究发现，IcsB可以严重破坏细胞骨架中的肌动蛋白纤维（filamentous actin fibers），同时上游控制肌动蛋白纤维组装的Rho家族小G蛋白由于IcsB的存在也失去了活性。研究人员然后通过一系列严谨的生化和细胞实验，最终发现IcsB是一个全新的长链（18-C）脂肪酰基转移酶，通过这个特殊的酶学活性使得Rho家族小G蛋白C端的富含碱性氨基酸（PBR）区域中的赖氨酸侧链氨基上被加上一条长长的“脂肪链尾巴”，这种修饰导致小G蛋白失活，丧失了调控肌动蛋白纤维组装的能力，使得IcsB对酵母和哺乳动物细胞显示出细胞毒性。

在上述研究中，研究人员注意到：（1）IcsB对Rho蛋白的识别并不依赖于一段独特的氨基酸序列，只是识别一段富含碱性氨基酸的区域及其C端被脂肪链修饰的CAAX motif，而具有这样特征的蛋白质在宿主细胞中其实有很多。（2）IcsB对Rho蛋白的修饰并不能解释其对多个宿主细胞通路均有抑制作用，特别是其对细胞自噬的抑制。考虑到这些问题，研究人员设计了巧妙的化学蛋白质组学的实验，将被IcsB修饰的、带有长链脂肪酰基的底物蛋白全部“抓”出来，再利用基于同位素的蛋白质定量质谱的方法鉴定出这些被修饰的蛋白。利用这个方法，他们发现在痢疾杆菌感染宿主细胞时，IcsB可以使至少60个左右的宿主蛋白发生长链脂肪酰基修饰，这些蛋白不仅包括此前鉴定出的Rho蛋白，还包括Ras和Rab家族的小G蛋白，以及SNARE和Septin家族等多个非小G蛋白。这些蛋白都具有一个富含碱性氨基酸的区域，在宿主细胞膜泡相关的多个通路中发挥重要调节作用。通过对这些蛋白进行逐一排查，研究人员最终发现IcsB是通过修饰CHMP5蛋白从而帮助痢疾杆菌抑制宿主细胞的抗细菌细胞自噬。

本研究首次发现志贺氏痢疾杆菌的毒力效应蛋白IcsB具有全新的脂肪酰基转移酶活性，不仅通过修饰Rho家族小G蛋白导致细胞内肌动蛋白纤维被破坏，而且也可以修饰其它Ras超家族的小G蛋白和SNARE等多个非小G蛋白，进而帮助痢疾杆菌抑制或调控多个细胞生理活动，促进其在宿主内生存和增殖。

我所邵峰实验室PTN项目博士生刘旺、北师大博士生周艳（现在浙江大学）以及洛克菲勒大学Howard C. Hang实验室的彭涛博士（现在北京大学深圳研究生院）为本文的共同第一作者，该论文的其他作者还包括邵峰实验室周平博士，我所前员工丁小军，卲峰实验室李子霖博士，钟皓宇，许悦，以及我所蛋白质组中心的陈涉博士。邵峰博士和Howard C. Hang为本文的共同通讯作者。该研究由基金委基础科学中心项目，科技部国家重点研发计划，北京市政府北京学者计划和中科院先导计划资助，在北京生命科学研究所完成。