泛素化在真核细胞过程中起着至关重要的作用。来自紫色色杆菌的效应蛋白CteC通过泛素(Ub)残基T66的单ADP核糖基化来阻断宿主的泛素化。然而，这种改变的结构基础是未知的。

2023年11月9日，浙江大学周艳团队在Nature Chemical Biology 在线发表题为“Molecular basis of threonine ADP-ribosylation of ubiquitin by bacterial ARTs”的研究论文，该研究报道了CteC与Ub、NAD+或ADP核基化Ub配合物的三种晶体结构，它们代表了CteC在改性过程中的不同催化状态。CteC采用特殊的“D-E”催化基序进行催化，以半配体结合方式结合NAD+。

CteC对Ub的特异性识别是由一个相对独立的Ub靶向结构域和一个长环L6决定的，而不是经典的ADP-核糖基化turn-turn环。结构分析和生化结果表明，CteC是一个大的聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)样ADP-核糖基转移酶家族，具有R-S-E和H-Y-E类ADP-核糖基转移酶的嵌合特征。CteC样ADP-核糖基转移酶家族具有共同的“D-E”催化共识，广泛存在于细菌和真核微生物中。

泛素化利用三种酶的酶联反应，包括Ub活化酶E1、Ub偶联酶E2和Ub连接酶E3，将Ub转移到蛋白质底物上，通过泛素-蛋白酶体系统降解或启动特殊的信号转导。泛素化调节多种真核生物信号通路，包括宿主免疫防御。在与宿主的共同进化过程中，细菌病原体进化出了专门的分泌系统，将毒性效应蛋白注入宿主细胞，以调节宿主信号，促进细菌入侵和繁殖。泛素化过程是许多细菌效应物的常见靶标，例如Shigella IpaH家族成员作为Ub E3连接酶， Legionella效应物RavD作为线性Ub链特异性去泛素酶。

ADP核糖基化是存在于所有生命领域的一种多用途的翻译后修饰，它是由ADP核糖基转移酶(ART)蛋白超家族成员催化的。ART将ADP核糖(ADPR)从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)通过N-、O-或s -糖苷连接转移到底物上。ART在蛋白质序列上是高度多样化的，但是在ART催化域中有一个保守得很好的核心结构，称为ART折叠，它由一个分裂的β-薄片组成，每一半含有三条链。基于ART折叠中NAD+结合和酶活性所需的三个保守氨基酸残基的存在，ART被分为组氨酸-酪氨酸-谷氨酸(H-Y-E)白喉类毒素和精氨酸-丝氨酸-谷氨酸(R-S-E)霍乱类毒素。ADPR对靶标的修饰调节了多种真核细胞过程，并且是许多细菌病原体致病性的基础。

CteC与Ub和NAD+配合物的整体结构（图源自Nature Chemical Biology ）

最近，研究发现来自紫色色杆菌的III型分泌系统效应物CteC通过在残基T66上异常的苏氨酸ADP核糖基化特异性修饰Ub，从而损害了多聚Ub的合成并导致宿主细胞中多聚Ub链的功能障碍。然而，CteC的催化机理和结构基础尚不清楚。该研究测定了CteC与Ub在不同催化状态下的三种晶体结构。这些结构和生化结果揭示了CteC的催化机制和独特的特征，不同于已知的R-S-E和H-Y-E类细菌ART。

周艳研究员为该项研究的通讯作者，联合培养博士后谭加兴、生命科学研究院博士生徐艳和青年研究员王小飞为本文的共同第一作者，参于该研究的人员还有联合培养博士后阎芙洁、北京大学医学部刘小云研究员和研究生冼伟、浙江大学附属第二医院主任医师陈焰、浙江大学生命科学研究院朱永群教授。该工作获得国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、国家万人计划青年拔尖人才和中央高校基本科研经费的资助。

周艳课题组（邮箱：zhouyanlsi@zju.edu.cn）围绕细菌感染性疾病发生机制，长期开展细菌致病因子生物学功能研究，为相关疾病的诊疗提供新策略，为生物学研究工具的开发提供新思路。欢迎感兴趣的博士后和研究生联系并申请加入。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-023-01475-3

转自：“iNature”微信公众号

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