BioArt按：嗜肺军团菌的SidE家族效应蛋白可泛素化多种在内质网-高尔基体之间的膜泡运输中发挥重要作用的Rab小G蛋白，不需要E1和E2参与，不以ATP而以NAD为能量来源，是目前为止第一个被发现的针对磷酸核糖连接的泛素化的去泛素化酶，然而经典的去泛素化酶并不能逆转SidE家族效应蛋白介导的泛素化，那么是否还存在新一类的去泛素化酶呢？5月12日，Cell Research在线发表了吉林大学第一医院感染与免疫研究中心罗招庆课题组题为“A unique deubiquitinase that deconjugates phosphoribosyl-linked protein ubiquitination”的最新的研究成果，该论文揭示了一种由嗜肺军团菌编码的效应蛋白具有独特的去泛素化酶功能，可逆转由磷酸核糖连接的泛素化。与经典去泛素化酶不同的是，SidJ的活性不依赖于活性的半胱氨酸残基。SidJ的去泛素化酶功能在感染过程中对嗜肺军团菌在宿主细胞内的繁殖发挥关键作用。同样重要的是，这些发现为在真核细胞中研究类似泛素化催化机制奠定了基础。鉴于该工作的创新性和重要性，BioArt特别邀请到了中科院上海生化与细胞所胡荣贵研究员做精彩点评，以飨读者。
论文解读：
泛素化是真核细胞内最为重要的蛋白质翻译后修饰之一，在蛋白质的定位、代谢、功能、调节和降解中都起着十分重要的作用，几乎参与细胞一切生命活动的调控。基于其在宿主免疫反应中的重要性，泛素化信号通路是许多病原菌效应蛋白的的靶标。经典的泛素化通路是由三种酶（激活酶E1、结合酶E2和连结酶E3）介导的级联酶促反应，其中E3泛素连接酶决定底物的特异性。而罗招庆教授课题组在2016年5月5日发表在Nature的论文详细报道了一种“All-in-one”的泛素连接酶（下图）（Qiu et al., Nature. 2016），即由该类酶催化的对底物泛素化不需要E1和E2的参与，引起了国际泛素研究领域的关注。
嗜肺军团菌是一种条件性致病菌，引起人的以非典型性肺炎为主要症状的军团菌病，该菌通过其Dot/Icm IV型分泌系统输送超过300个效应蛋白的宿主细胞内，改变宿主的多种信号通路以构建其在宿主内的最适生长环境。罗招庆教授课题组的邱家章博士发现嗜肺军团菌的SidE家族效应蛋白可泛素化多种在内质网-高尔基体之间的膜泡运输中发挥重要作用的Rab小G蛋白。在机制上，SidE家族蛋白有以下特点：不需要E1和E2参与；不以ATP而以NAD为能量来源；通过对泛素分子的Arg42进行ADP-核糖基化激活泛素，并以此为中间产物（Qiu et al., Nature. 2016）。其他实验室的后续跟进研究揭示激活后的泛素分子通过SidE家族蛋白的一个磷酸脂酶活性（phosphodiesterase，PDE）切割ADPR-Ub 中的高能磷酸键，将磷酸核糖化的泛素将磷酸核糖化的泛素（phosphoribosylated Ub，PR-Ub）连接到底物蛋白的丝氨酸残基上，从而实现对底物的泛素化修饰（Bhogaraju et al., Cell. 2016; Kotewicz et al., Cell Host Microbe. 2017）。
蛋白质的泛素化调节是一个可逆的过程，细胞内的多种去泛素酶催化水解泛素羧基末端异肽键连接，发挥去泛素化的功能。罗招庆课题组发表在Cell Research上的这项研究成果表明，经典的去泛素化酶不能逆转SidE家族效应蛋白介导的泛素化。在军团菌效应蛋白研究领域非常常见的一种现象是利用不同的效应蛋白对底物蛋白进行“修饰”和“去修饰”以实现对宿主信号通路的时空调控（Spatio-temporal regulation），如军团菌效应蛋白介导的单磷酸腺苷化和去单磷酸腺苷化、磷酸胆碱化和去磷酸胆碱化等。
通过一系列表型试验研究发现，军团菌效应蛋白SidJ可对抗由SidE家族蛋白介导的酵母毒性和哺乳动物细胞毒性，提示SidJ具有去泛素化功能以逆转由SidE家族蛋白对底物的修饰。邱家章博士利用生化实验和质谱分析证明了SidJ可切割连接底物蛋白和泛素分子间的磷酸二酯键，产生去泛素修饰的底物分子和PR-Ub。SidJ是目前为止第一个被发现的针对磷酸核糖连接的泛素化的去泛素化酶。此外，SidJ还具有经典去泛素化酶的功能，可水解由K11、K33、K48和K63连接的二聚泛素链。但与经典去泛素化酶不同的是，SidJ的活性不依赖于活性的半胱氨酸残基。SidJ的去泛素化酶功能在感染过程中对嗜肺军团菌在宿主细胞内的繁殖发挥关键作用；参与对SidE家族蛋白介导的泛素化的时间调控（Temporal regulation），在感染的后期解除SidE家族蛋白对宿主的影响。同样重要的是，这些发现为在真核细胞中研究类似泛素化催化机制奠定了基础。
专家点评：
胡荣贵 中科院上海生化与细胞研究研究员，国家“杰青”
Comments：首先祝贺罗教授和他的团队持续作出一系列原创性的工作！在这篇直接投给CR的文章里，罗招庆教授和邱家章博士发现嗜肺军团菌编码的效应蛋白SidJ通过逆转由磷酸核糖连接的泛素化来发挥其独特的去泛素化酶功能。本篇文章的主要工作与他们2016年报道的SidE不需要E1、E2的泛素化的机制一起，对泛素领域里熟知的泛素化与去泛素化的经典酶学机制是一个全新的拓展。他们的工作既丰富了人们对泛素信号的多重生理病理作用的基础性的认识，也进一步加深了微生物与宿主相互作用模式多样性的理解。为鉴定新的药物靶点和发展干预病原微生物的感染及其相关疾病的有效手段奠定了基础。这些发现堪称经典，有非常重大的意义！
参考文献：
1、Qiu, J., Sheedlo, M. J., Yu, K., Tan, Y., Nakayasu, E. S., Das, C., ... & Luo, Z. Q. (2016). Ubiquitination independent of E1 and E2 enzymes by bacterial effectors. Nature, 533(7601), 120-124.
2、Bhogaraju, S., Kalayil, S., Liu, Y., Bonn, F., Colby, T., Matic, I., & Dikic, I. (2016). Phosphoribosylation of ubiquitin promotes serine ubiquitination and impairs conventional ubiquitination. Cell, 167(6), 1636-1649.
3、Kotewicz, K. M., Ramabhadran, V., Sjoblom, N., Vogel, J. P., Haenssler, E., Zhang, M., ... & Isberg, R. R. (2017). A single legionella effector catalyzes a multistep ubiquitination pathway to rearrange tubular endoplasmic reticulum for replication. Cell host & microbe, 21(2), 169-181.
罗招庆教授，吉林大学第一医院感染与免疫中心主任。分别于1991年和1994年毕业于北京农业大学（现中国农业大学）获植物病理学本科及硕士学位；2000年毕业于美国伊利诺依大学厄巴那－香槟分校，获微生物学博士学位。2001-2004在美国塔夫茨大学医学院进行博士后研究。2004年任职于普渡大学生物系，历任助理教授、副教授和教授。罗招庆教授长期从事细菌致病机制的研究，在嗜肺军团菌效应蛋白的鉴定、阐明效应蛋白的生化功能和生物学作用的研究领域做出突出贡献，取得系列突破性进展。尤其是不依赖于E1和E2泛素连接酶的发现，在泛素化领域开辟了一个全新的研究方向。在Nature、Cell Research、PNAS、PLoS Pathogens、EMBO J和Cellular Microbiology等国际知名期刊发表论文50多篇。
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