《结核杆菌中十二聚体蛋白酶体激活剂PafE的结构分析》

  • 来源专题:结核病防治
  • 编译者: 李阳
  • 发布时间:2016-03-25
  • 人病原体结核杆菌(Mtb)需要借助蛋白酶体系统来引发小鼠致死性感染。基于此,来自犹他大学医学院等机构的研究人员合作开展了一项研究(其相关成果于2016年3月21日发表在PNAS上),发现蛋白酶体辅助因子E(PafE,Rv3780)不仅能借助独立于三磷酸腺苷(ATP)的结核杆菌蛋白酶体来激活蛋白质水解,还能促进Mtb的热休克反应及其毒力;PafE亚基能够形成类似于PA26及PA28的独立于真核ATP的蛋白酶体激活剂的四螺旋束。然而,与其它已知的蛋白酶体激活剂不同,PafE形成的是12倍对称性十二聚体,并需要一个在此前描述的激活剂中未曾发现的甘氨酸-XXX-甘氨酸-XXX-甘氨酸基序。有趣的是,截断PafE的羧基末端会使得PafE环与天然蛋白酶体核粒子稳定地结合在一起,并能显著提高蛋白酶体的活性,说明这种辅助因子延伸的羧基末端能够控制PafE与蛋白酶体核粒子的结合。此外,研究数据还表明对于细菌而言,蛋白酶体活化不局限于六聚体ATP酶。

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  • 《Science丨揭示真核生物焦亡蛋白GSDM非酶切依赖的全新激活机制》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-04-29
    • 2024年4月25日,中国科学院生物物理研究所丁璟珒课题组和北京生命科学研究所邵峰团队合作,在 Science 期刊发表了题为Cleavage-independent activation of ancient eukaryotic gasdermins and structural mechanisms 的研究论文,该研究揭示了两种来源于低等真核生物的GSDM蛋白通过非蛋白酶切割的新颖方式激活的分子机制。 研究人员首先通过序列同源性分析发现,最原始的多细胞生物丝盘虫(Trichoplax adhaerens)的基因组编码了一个只含有膜打孔结构域的GSDM同源蛋白(TrichoGSDM)。通过重组表达和纯化鉴定,发现TrichoGSDM蛋白同时存在单体和二聚体两种形式,其中单体蛋白具有在脂质体上打孔的活性,TrichoGSDM二聚体则不能上膜打孔。研究人员进一步解析了TrichoGSDM二聚体高分辨率的晶体结构,意外地发现TrichoGSDM二聚体是由两个单体蛋白通过三对分子间二硫键交联而成。在体外利用还原剂处理TrichoGSDM二聚体,或者突变参与二硫键形成的Cys都可以获得均一的单体蛋白,并展示出强烈的膜打孔活性,这表明二硫键连接的二聚体代表了TrichoGSDM蛋白的非激活状态,二聚体向还原态的单体转换可能是TrichoGSDM蛋白潜在的激活机制。细胞质中的谷胱甘肽(glutathione,GSH)和硫氧还蛋白(thioredoxin,TRX)是两种重要的抗氧化系统,可以清除胞质中有害的活性氧或者蛋白质错误氧化形成的二硫键,维持胞质的还原环境。 研究人员利用胞质生理浓度的GSH或丝盘虫的TRX蛋白处理TrichoGSDM二聚体,都可以将二聚体还原、释放单体的膜打孔活性,在细菌中诱导表达TrichoGSDM具有和哺乳动物GSDM蛋白N端结构域相似的抑菌活性,说明细菌胞质的还原环境有利于TrichoGSDM维持在活化的单体状态,通过在细菌膜上打孔抑制细菌生长。研究人员还成功解析了TrichoGSDM在脂质体膜上形成的分子孔道高分辨率的冷冻电镜结构,发现TrichoGSDM由44个单体形成了目前已知的真核生物最大的GSDM孔道。通过结构分析揭示了TrichoGSDM识别酸性磷脂、发生构象变化并寡聚组装成孔的结构基础。这些研究阐明了TrichoGSDM从分子间二硫键介导的二聚体自抑制状态,通过还原二硫键活化成具有打孔活性的单体状态,并进一步在膜上寡聚打孔介导细胞死亡的分子机制,这种新颖的激活机制在GSDM蛋白中是首次发现的。 TrichoGSDM的发现激发了研究人员继续探寻只含有膜打孔结构域的GSDM蛋白的研究兴趣。最近,在丝状真菌粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)中发现的融合致死基因rcd-1,在不同菌株中的等位基因可编码RCD-1-1和RCD-1-2两种同源蛋白,当不同菌株发生细胞融合时,两种RCD-1蛋白介导了同种异体识别(allorecognition)引发的细胞死亡。研究人员通过解析RCD-1-1和RCD-1-2的晶体结构,发现两种RCD-1蛋白与哺乳动物GSDM的膜打孔结构域具有相似的结构特征,但二者缺少发挥自抑制功能的结构元件。单独的RCD-1-1或RCD-1-2在溶液中呈现单体状态,通过识别酸性磷脂结合在脂质体膜上,却无法寡聚打孔,因而没有细胞毒性。而两种RCD-1蛋白在大肠杆菌、酿酒酵母或HeLa细胞等多种细胞系统中共表达时,会引发强烈的裂解性细胞死亡。 通过解析共孵育的RCD-1-1和RCD-1-2蛋白在脂质体膜上形成的分子孔道冷冻电镜三维结构,发现两种蛋白通过交替排布的异源寡聚组装方式形成已知的最小GSDM孔道。分析RCD-1分子孔道中两种蛋白的作用方式发现,每一个RCD-1-1分子都与两侧相邻的RCD-1-2分子相互作用,但两侧的互作方式并不等效,拥有更强分子间极性作用的一侧主导了RCD-1异源二聚体的形成,而另一侧的分子间相互作用驱动了以异源二聚体为单元进一步寡聚成孔。将RCD-1-1和RCD-1-2蛋白与脂质体共孵育,或分别结合脂质体后再进行共孵育,都可以通过两种蛋白的分子间识别激活在脂质体膜上的打孔活性,而将异源二聚体识别界面的关键残基突变,在分别表达两种蛋白的不同交配型酵母细胞融合或不同粗糙脉孢菌菌株的孢子融合时,都阻断了RCD-1蛋白的分子间识别,因而不能激活膜打孔活性并引起裂解性细胞死亡。这些研究揭示了具有膜结合特性的RCD-1蛋白单独存在时处在未激活的静息状态,细胞融合导致两种蛋白相遇,通过分子间特异性识别来激活异源二聚体组装,并进一步在细胞膜上寡聚成孔,执行细胞死亡的功能。 上述研究打破了一直以来认为GSDM蛋白需要蛋白酶切割打开自抑制、激活膜打孔活性的传统认识,揭示了低等真核生物中两类只含有膜打孔结构域的GSDM蛋白,分别通过氧化还原调控或配对的分子间相互作用来释放膜打孔活性的全新激活机制,拓展了对GSDM蛋白进化和功能多样性的机制理解。多种不同的激活机制表明GSDM蛋白可以响应更广泛的生物学信号,参与更丰富的生命活动过程。同时,这种不依赖酶切的GSDM蛋白具有被开发成诱导细胞死亡新型工具的潜力,可以助力细胞焦亡相关的基础和转化研究。
  • 《研究解析结核杆菌转录起始复合物的晶体结构》

    • 来源专题:生物安全网络监测与评估
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-15
    • 基因组的遗传信息得以表达,首先需要RNA polymerase (RNAP)以DNA为模板合成RNA。基因转录不仅是基因表达第一步,还是基因表达的主要调控步骤。对RNAP分子机器结构、运行机理以及调控机制的研究能够回答基因表达调控的基础生物学问题。在转录起始阶段,细菌的RNAP与转录起始σ因子形成复合物,依次执行启动子双链DNA的识别、解链以及RNA起始合成等关键步骤。细菌RNAP通过与多个σ因子结合特异性调控基因转录,其中Extra-Cytoplasmic Function(ECF)σ因子是细菌中种类最多的一类σ因子,它可以感受细菌胞内外环境变化,起始特异性的基因转录。ECF σ因子赋予细菌适应逆境的能力,对于致病菌的致病性和耐药性尤为重要。以结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)为例,其RNAP分别与10种ECF σ因子结合,通过识别特异启动子序列启动相应基因表达,多个ECF σ因子与结核分枝杆菌的致病、侵染以及耐药直接相关。 3月11日,国际学术期刊《自然-通讯》(Nature communications)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所/中国科学院合成生物学重点实验室张余研究组题为Structure basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors 的研究论文。该论文解析了两个结核分枝杆菌RNA聚合酶与σH的高分辨率转录起始复合物晶体结构。这两个首次解析的细菌RNAP与ECF σ因子的复合物结构回答了以下几个关键问题:1)ECF σ因子与RNAP 组装成全酶的方式与housekeeping σ因子类似,特别是ECF σ因子连接σ2和σ4结构域的linker区域,虽然其序列上与housekeeping σ因子没有任何的相似性,但是该linker区域与RNAP结合方式与housekeeping σ因子的σ3.2结构域类似,均结合到RNA聚合酶的活性中心,在转录起始过程中起着至关重要的作用;2)ECF σ因子采用独特的机制打开启动子双链DNA形成转录泡;3)ECF σ因子采用独特的方式结合单链的启动子DNA -10区的保守序列,通过对比RNAP-σH全酶以及RNAP-σH-DNA的两个复合物结构,张余课题组发现ECF σ因子采用Induced-Fit方式结合解链的启动子DNA,而housekeeping σ因子识别启动子采用Lock-and-Key的模式。两种模式的区别在于Induced-Fit的方式只能结合正确的启动子DNA序列,因为只有正确的启动子DNA序列才能够诱导DNA的结合口袋打开,该方式保证了ECF σ因子转录起始的专一性;而Lock-and-Key的方式能够容忍一定的启动子DNA序列差异,从而保证了housekeeping σ因子的转录起始的高效性和广泛性。该研究揭示了细菌ECF σ因子转录起始的结构基础以及分子机制,为基于ECF σ因子的合成生物学正交转录元件设计提供了理论基础,为靶向细菌RNAP的抗生素发现提供了新的思路。 ——文章发布于2019-03-14