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Nature:北生所邵峰研究组揭示病原细菌抑制宿主天然免疫防御新机制

摘要 : 2017年10月11日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志在线发表了北京生命科学研究所邵峰实验室发表题为“Ubiquitination and degradation of GBPs by a Shigella effector to suppress host defense”的研究论文。

2017年10月11日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志在线发表了北京生命科学研究所邵峰实验室发表题为“Ubiquitination and degradation of GBPs by a Shigella effector to suppress host defense”的研究论文。论文报道了志贺氏痢疾杆菌分泌的的效应蛋白IpaH9.8通过泛素化并降解宿主细胞内的鸟苷酸结合蛋白(GBP),来抑制宿主的免疫反应从而促进病原菌在宿主内的生存和增殖。邵峰实验室研究生李鹏为本文的第一作者,邵峰博士为本文通讯作者。

天然免疫是机体抵抗病原感染的第一道防线。在天然免疫通路中,干扰素作为一个重要分子会诱导下游一系列基因的表达来抵抗病原菌入侵。在被干扰素诱导表达的基因中,鸟苷酸结合蛋白(GBP)是一类非常保守且庞大的家族,人的基因组中有7个同源基因,而小鼠的基因组中有11个。近年来的研究逐渐表明GBP家族蛋白在抵抗病毒、病菌以及弓形虫的感染中都起到关键作用。魔高一尺,道高一丈。事实上,病原微生物也时刻接受着宿主免疫系统的正向筛选,能够成功入侵并在宿主体内不断增值的病原通常也进化出了各种有效机制来抵抗宿主天然的识别和攻击。例如,很多病原细菌会通过专门的分泌系统向宿主细胞内注射一系列具有独特生化活性的效应蛋白来拮抗宿主免疫。但到目前为止,关于病原菌是如何应对和拮抗GBP家族蛋白介导的天然免疫防御尚未有明确报道。

志贺氏痢疾杆菌是一种胞内自由生存的革兰氏阴性菌,能够引起痢疾等人类肠道疾病。长期以来,邵峰实验室一直利用志贺氏痢疾杆菌作为模型研究病原细菌和宿主的相互作用机制,并已取得多项重要新发现。该项研究起始于他们在研究GBP的抗细菌作用机制中的一个意外发现,即志贺氏痢疾杆菌感染会特异地引起宿主细胞内hGBP1蛋白的迅速降解,而其他常见的肠道致病菌并无此现象。进一步,他们通过在志贺氏杆菌中进行全基因组转座子突变体筛选,发现ipaH9.8基因突变会导致hGBP1蛋白降解表型的消失。IpaH9.8属于志贺氏杆菌三型分泌系统效应蛋白IpaH家族。IpaH家族蛋白都含有一个保守的C端具有泛素连接酶活性的结构域和一个相对有变化的N端富亮氨酸重复结构的结构域,IpaH家族的细菌泛素连接酶在其它很多病原细菌中也广泛存在。早在2008年,邵峰实验室就曾解析了痢疾杆菌的IpaH3泛素连接酶的晶体结构,但10多年来人们对IpaH家族效应蛋白的生理功能以及其在宿主中的底物一直不清楚。在该研究中,他们进一步通过一系列细胞水平的细菌感染实验和体外生物化学实验,发现IpaH9.8可以直接在hGBP1蛋白上催化形成K48连接的多泛素链,进而导致hGBP1通过蛋白酶体通路被降解。在细菌感染时,此修饰和降解过程发生在细胞质中。进一步研究还发现,IpaH9.8可以作用于多个GBP家族成员,且不依赖于GBP的核苷酸结合状态以及GBP家族不同成员的功能差异。当IpaH9.8不存在或其识别GBP的氨基酸残基被突变时,一部分GBP家族的蛋白会定位到胞内志贺氏菌上来抑制其生长。在小鼠感染模型中,IpaH9.8降解GBP蛋白对于细菌在小鼠体内的复制并最终导致小鼠死亡至关重要。当小鼠缺失一部分可以被IpaH9.8降解的GBP时,对于野生型志贺氏菌,这些GBP敲除的小鼠和野生型小鼠一样,都表现出对感染敏感,最终死亡。但是当被ipaH9.8基因缺失的志贺氏菌感染后,野生型小鼠可以存活,但GBP敲除的小鼠却仍然敏感和发生死亡。这些结果都强调了IpaH9.8降解GBP在细菌感染过程中的极为重要的功能。

该研究首次报道了在志贺氏痢疾杆菌感染过程中,IpaH9.8的生理底物是GBP家族蛋白,通过降解GBP来抑制宿主对细菌的清除。该研究还发现GBP蛋白在细菌感染时会聚集到细菌周围并导致细菌发生不正常的形变进而发挥抗细菌作用。该研究也首次建立了一个对于深入研究GBP免疫防御机制非常有效的细菌感染体系,同时IpaH9.8也可以被用做GBP蛋白的一个特异性抑制剂。

原文链接:

Ubiquitination and degradation of GBPs by a Shigella effector to suppress host defense

原文摘要:

Interferon-inducible guanylate-binding proteins (GBPs) mediate cell-autonomous antimicrobial defenses. Shigella flexneri, a Gram-negative cytoplasmic free-living bacterium that causes bacillary dysentery, encodes a repertoire of highly similar type III secretion system (T3SS) effectors called IpaHs4. IpaHs represent a large bacterial ubiquitin-ligase family5–8, but their function is poorly understood. Here we find that S. flexneri infection induced rapid proteasomal degradation of human GBP1 (hGBP1). A transposon screen identified ipaH9.8 as being responsible for the degradation. IpaH9.8 directly targeted hGBP1 for Lys48-linked ubiquitination. IpaH9.8 targeted multiple GBPs, which occurred in the cytoplasm independently of GBPs nucleotide-bound states as well as their differential function in antibacterial defence. When IpaH9.8 was absent or its binding to GBPs was disrupted, GBPs such as hGBP1 and mGBP2 translocated to intracellular S. flexneri to limit bacterial growth. IpaH9.8 targeting of GBPs promoted S. flexneri replication and caused lethality in mice. Gbpchr3-/- mice lacking several IpaH9.8-targeted GBPs succumbed to S. flexneri infection similarly to wild-type mice, but remained susceptible to ΔipaH9.8. The mode of IpaH9.8 action highlights the functional importance of GBPs in antibacterial defences. IpaH9.8 andS. flexneri provide a unique system for dissecting GBP-mediated immunity.

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