浙江大学朱永群与合作者最新Nature论文：细菌放“毒”，绵里藏针

展源 2024-05-31

夏天到了，清洗空调是必要的一步，因为空调是许多种病原菌喜欢的藏匿点，嗜肺军团菌就是其中一种。最近，科学家在嗜肺军团菌体内发现了一种全新的细菌“毒素”——效应蛋白LnaB。它一方面主动清理宿主细胞内的有害分子，帮助宿主细胞维持正常生理过程；另一方面抑制宿主细胞对细菌的免疫防御反应，避免嗜肺军团菌被宿主细胞攻击。

5月 22日，浙江大学生命科学研究院/动物科学学院朱永群课题组，生命科学学院周艳课题组和北京大学刘小云课题组联合在Nature上发表了这项发现，论文标题为Legionella effector LnaB is a phosphoryl-AMPylase that impairs phosphosignalling。“细菌用同一种效应蛋白来承担两个不同的角色和功能，这是很少见的，”朱永群说，“这种‘绵里藏针’的策略让细菌赢得了和宿主细胞短暂共存的时间，以利于其生存和繁殖。”

图：LnaB工作机制的示意图。

神秘“武器”LnaB

这项研究的一个关键名词是“蛋白质翻译后修饰”，这是生物领域的一个常用词，通常是指在细胞内蛋白质的侧链上被添加上或改变了一个小小的化学基团的过程。至今，人们已经发现了数百种蛋白质翻译后修饰方式，比如泛素化、乙酰化、甲基化等。如果说蛋白质是细胞内执行具体功能的“机器”，那么这些机器能发挥功能往往与它们拥有蛋白质翻译后修饰的种类密切相关。朱永群教授课题组长期从事病原菌和宿主相互作用机制的研究，探索新型蛋白翻译后修饰，是他们本次揭开细菌致病 “秘密武器”的切入点。

嗜肺军团菌是导致人类军团病的致病菌，它会感染进入肺巨噬细胞，在宿主细胞内形成独特的膜泡结构从而生存和繁殖。2016年，全世界多个实验室先后发现了嗜肺军团菌能通过非典型泛素化过程促进嗜肺军团菌膜泡的成熟。“这个过程中有一个副产物——磷酸核糖化泛素分子，”朱永群说，“我们在2017年发现这个副产物对人细胞具有毒性。但是，嗜肺军团菌是一种入侵到人细胞内的细菌，在人细胞内大量繁殖”。课题组猜测，嗜肺军团菌可能存在特殊的效应蛋白，消除这个毒性泛素分子、或者对泛素进行其他类型修饰，才能有利于该菌与宿主细胞短期共存，以保证其生存和繁殖。

通过一系列体外和体内筛选体系，课题组最终将目光锁定在效应蛋白LnaB。它是这项研究的主角，为科学家了解细菌致病机制打开了一个全新的视野。

既能“解毒”，也能“放毒”

课题组发现，LnaB能帮宿主细胞“解毒”，这个过程是通过一种非常特殊的修饰过程实现的。朱永群介绍，LnaB是一个独特的腺苷酸化酶（AMPylase），它对具有细胞毒性的磷酸核糖化泛素进行单磷酸腺苷酸化修饰，生成ADP-核糖基化泛素，然后再由效应蛋白MavL水解成为无毒、天然的泛素分子。这个由LnaB和MavL催化形成的级联反应，实现了对嗜肺军团菌的非经典泛素化过程的逆转，从而保护了宿主细胞正常生理过程至关重要的经典泛素化通路。“我们发现的这类靶向磷酰基的腺苷酸化修饰，突破了腺苷酸化只发生在蛋白质氨基酸残基上的认知。”朱永群说。

图：LnaB和MavL催化形成的级联反应，实现了对非经典泛素化过程的逆转。

另一方面，LnaB还能抑制细胞的免疫反应,破坏宿主细胞的免疫力。朱永群指出，现在感染过程中，LnaB对宿主细胞内至关重要的Src家族激酶进行蛋白质修饰，产生一个全新的“二磷酸腺苷酸化修饰（ADPylation）”，突破了蛋白质上磷酸基团是终端化的、在细胞内不可以被进一步共价修饰的概念。激酶是一类具有重要生物学功能的信号转导分子。被LnaB作用后的Src家族激酶丧失了活性，不能开启下游磷酸化信号转导，从而抑制了宿主的免疫信号通路。“LnaB也是迄今为止唯一鉴定出的可以直接修饰Src家族激酶活化环上磷酸化酪氨酸残基的细菌毒力因子。”周艳说。

图：LnaB对磷酸化多肽催化腺苷酸化并产生ADPylation修饰。