Nature子刊:丁璟珒/邵峰合作揭示細菌效應蛋白拮抗宿主抗細菌自噬的分子機理和細胞選擇性自噬的通用機制

最新的研究進展表明,宿主抗病毒干擾素誘導通路的關鍵蛋白STING在結合了配體cGAMP後會轉位至高爾基體發生寡聚化激活,這一過程也會誘導LC3激活並包裹高爾基體,SopF或VoC亞基的Q124A突變的抑制實驗表明,這種針對高爾基體的細胞選擇性自噬同樣依賴V-ATPase-ATG16L1通路。

真核細胞的經典自噬是細胞在營養缺陷時實現胞內物質迴圈再利用的重要信號通路,越來越多的研究表明,自噬通路也可以選擇性地感知並抵禦入侵的病原細菌,這一過程也被叫做抗細菌自噬或者異源自噬 (Xenophagy) 。 2019年北京生命科學研究所邵峰團隊首次揭示了異源自噬的分子機制。細菌入侵宿主細胞後,細菌所在內吞泡上的V-ATPase感受到細菌感染引起的內吞泡破壞,招募自噬機器ATG16L1複合體活化自噬標記分子LC3,活化的LC3包裹含有細菌的內吞泡,進一步介導溶酶體融合和降解來限制病原菌的增殖和擴散。這項工作還發現沙門氏菌通過獨特的效應蛋白SopF介導V-ATPase亞基VoC發生ADP-核糖基化修飾,特異地阻斷V-ATPase和ATG16L1複合體的相互作用,從而拮抗宿主細胞的異源自噬抗細菌防禦。但是效應蛋白SopF拮抗宿主異源自噬的精確分子機理,以及V-ATPase-ATG16L1通路觸發異源自噬的可能機制還有待進一步完整揭示。 近日,中科院生物物理研究所王大成/丁璟珒課題組和北京生命科學研究所邵峰團隊合作,在 Nature Structural & Molecular Biology 期刊發表了題為: ARF GTPases activate Salmonella effector SopF to ADP-ribosylate host V-ATPase and inhibit endomembrane damage-induced autophagy 的研究論文。 該研究揭示了SopF利用真核宿主細胞的小G蛋白ARF作為輔因子激活其ADP-核糖基轉移酶活性、修飾V-ATPase亞基VoC拮抗宿主異源自噬的毒力機制,並闡明瞭V-ATPase-ATG16L1通路響應廣泛的內膜系統損傷而激活細胞選擇性自噬的通用機制。 80241643065765968 

利用細胞免疫共沉澱-質譜分析技術,研究人員首先鑒定出沙門氏菌效應蛋白SopF與宿主細胞中一類小G蛋白ARF 特異結合,並成功解析了SopF-ARF1蛋白質複合物及其與NAD+三元複合物的三維結構。結構分析與位點突變等實驗證明SopF屬於白喉毒素樣ADP-核糖基轉移酶家族,以 "I-Y-E"為核心基序結合細胞內的NAD+作為供體,催化底物V-ATPase 的VoC亞基第124位谷氨酰胺 (Q124) 發生ADP-核糖基化修飾。進一步細菌感染、體外生化重組等實驗證明,SopF對VoC的修飾活性嚴格依賴GTP結合的激活形式ARF蛋白作為輔因子。這種細菌的毒力因子利用宿主蛋白的激活機制,反映了細菌在與宿主長期互作過程中進化出的一種精確調控的策略。 V-ATPase作為質子泵廣泛地分佈在多種酸化內膜細胞器的膜上,宿主細胞抗細菌異源自噬的工作原理,提示這些內膜細胞器的損傷也可能活化V-ATPase-ATG16L1通路啟動細胞的多種選擇性自噬。研究人員利用SopF作為研究V-ATPase-ATG16L1通路的工具發現,LLOMe、Nigericin或NH4Cl等破壞溶酶體的化合物強烈地誘導LC3激活並包裹受損的溶酶體,這一現象可以被效應蛋白SopF或VoC亞基的Q124A突變高效地抑制,表明這種針對溶酶體的細胞選擇性自噬也是由V-ATPase-ATG16L1通路啟動的。 

最新的研究進展表明,宿主抗病毒干擾素誘導通路的關鍵蛋白STING在結合了配體cGAMP後會轉位至高爾基體發生寡聚化激活,這一過程也會誘導LC3激活並包裹高爾基體,SopF或VoC亞基的Q124A突變的抑制實驗表明,這種針對高爾基體的細胞選擇性自噬同樣依賴V-ATPase-ATG16L1通路。更有趣的是,研究人員發現SopF或VoC亞基的Q124A突變並沒有破壞V-ATPase的質子泵活性,定位在內膜細胞器上的V-ATPase通過感知酸性細胞器腔內pH的異常變化而來啟動對ATG16L1複合體的招募和選擇性自噬的發生。

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細菌效應蛋白SopF拮抗宿主抗細菌自噬的分子機理:A. 沙門氏菌效應蛋白SopF阻斷V-ATPase-ATG16L1通路拮抗宿主抗細菌自噬的模式圖;B. SopF-ARF1-NAD+三元複合物結構和酶活中心展示,以及SopF對V-ATPase亞基VoC的ADP-核糖基化修飾;C. SopF阻斷多種內膜細胞器損傷引起的選擇性自噬。 這項研究工作揭示了細菌效應蛋白SopF拮抗宿主異源自噬的ADP-核糖基轉移酶活性的結構基礎以及依賴宿主小G蛋白ARF的調控機制,進一步發現了V-ATPase獨立於質子泵功能、識別內膜系統損傷激活細胞非經典自噬的全新功能,並證實V-ATPase-ATG16L1通路是啟動多種細胞選擇性自噬的保守機制,為細胞內膜穩態維持與調控機制提供全新的研究方向。 中科院生物物理研究所丁璟珒研究員和北生所邵峰教授為本文的共同通訊作者,該研究得到科技部重點研發計劃,中科院戰略先導科技專項,基金委優青項目,以及中科院青促會項目的支援。 

論文連結 : https://www.nature.com/articles/s41594-021-00710-6      

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