南湖新闻网讯（通讯员 彭婷）近日，我校生命科学技术学院、生物医学与健康学院李姗教授课题组与南方科技大学傅暘研究员课题组合作，在Molecular Cell在线发表题为“Structural insights into caspase ADPR-deacylization catalyzed by a bacterial effector and host calmodulin”的论文。该研究综合运用生物质谱、结构生物学、生物化学、细胞生物学等多学科手段，揭示了病原细菌催化全新骨架的蛋白质翻译后修饰ADP-核糖脱氨环化（ADPR-deacylization）修饰caspase进而调控宿主程序性细胞死亡的分子基础，为开发相关细菌感染性疾病药物提供了新靶点和理论基础。
病原细菌利用Ⅲ型分泌系统（Type III Secretion System，T3SS）向宿主“注射”效应蛋白，模拟或操纵宿主的信号转导通路，促进侵染和定殖，是许多革兰氏阴性病原细菌的核心感染策略。紫色色杆菌是一种新兴的人类致病菌，具有多重耐药性，感染致死率高，然其致病机制尚不明晰。李姗教授实验室围绕“病原-宿主”互作分子机制进行研究，在紫色色杆菌致病机理方面取得一系列进展。
紫色色杆菌效应蛋白CopC作用机理
早前李姗教授实验室研究发现紫色色杆菌T3SS效应蛋白CopC可催化一种全新骨架的蛋白质翻译后修饰靶向宿主细胞多个半胱天冬酶（caspase），从而调控多种程序性细胞死亡信号通路，促进自身感染与繁殖。课题组将CopC催化的新型蛋白质翻译后修饰命名为ADP-核糖脱氨环化（ADPR-deacylization），并发现与CopC具有相同酶学活性的效应蛋白还存在于其它病原菌中，表明 CopC家族蛋白通过ADP-核糖脱氨环化修饰caspase蛋白来干扰宿主细胞死亡信号通路是病原菌普遍使用的一种致病策略。值得注意的是，这一新颖的蛋白质翻译后修饰，需要在人类宿主特异存在的钙调蛋白（Calmodulin，CaM）帮助下完成，保证了病原细菌毒力蛋白只在进入宿主后才发挥功能。
为了进一步研究CopC如何催化ADP-核糖脱氨环化这种新型蛋白质翻译后修饰以及辅因子CaM如何调控CopC的酶学活性，李姗教授课题组又和南方科技大学傅暘研究员课题组合作展开了进一步研究。研究人员首先利用串联质谱鉴定到CopC对caspase-7/-8/-9进行多位点修饰，而对caspase-3只进行单一位点修饰，于是caspase-3被选为合适的底物蛋白进行后续结构研究。研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术成功捕捉到CaM-CopC-caspase-3三元复合物与配体NAD+在反应前、反应中和反应后三种状态下的高分辨率结构，结合生化实验分析和功能验证，全面揭示了CopC识别配体/底物/辅因子的机制，通过不同反应状态的结构比对，又阐明了CopC独特的酶学催化反应的分子基础，以及反应完成后底物离去的分子机制。
紫色色杆菌效应蛋白CopC调控机理
研究发现，CopC由N端的催化结构域（N-terminal catalytic domain, NCD）以及C端的锚蛋白重复结构域（ankyrin repeats domain，ANK）构成，其整体结构形似一只手：NCD的N端向外延伸的螺旋结构代表大拇指；NCD的其余部分代表手掌；ANK结构域的四对螺旋结构代表4个手指。CopC通过ANK形成的手指抓住底物caspase-3，同时caspase-3的活性区域（包含修饰位点R207所在loop区）贴在NCD形成的手掌上。辅助因子CaM则像一个扳指套在CopC的大拇指上，调节催化反应活性。
CaM-CopC-caspase-3三元复合物结构
CopC的这一催化特征，让研究团队李姗老师联想到了中国古代皇帝的“玉扳指”，戴上扳指的手，就仿佛拥有了某种“功能”，可以“书写”一种新型蛋白质翻译后修饰。基于这一构想，团队融合中国传统文化元素，创作了一幅戴着“玉扳指”、手持毛笔在折扇扇面上书写CopC催化的新型蛋白质翻译后修饰分子式的创意封面。值得一提的是，这一颇具中国风的封面创意被Molecular Cell杂志选为2022年12月的封面故事，并得到了同行的广泛好评。
团队设计的封面被选为Molecular Cell 选为封面故事
真核宿主中特异存在的钙调蛋白CaM是控制CopC活性的开关，那CaM是如何帮助CopC发挥功能的呢？研究人员比较了CopC-caspase-3二元复合物和CaM-CopC-caspase-3三元复合物的结构发现，在有CaM存在时，CopC的NCD催化结构域才可以正确折叠、有序组装。体外生化分析表明，Ca2+-free形式的CaM能够明显促进CopC催化活性，增进与底物caspase-3的结合能力，Ca2+-bound形式的CaM则使CopC处于无催化活性的状态，这一发现与宿主细胞静息状态处于低钙环境是一致的。研究人员在细胞中上调或下调钙调蛋白的表达量，对病原菌感染时CopC的活性有对应的调控作用。紫色色杆菌感染小鼠模型中也表明CopC与CaM的结合能力，对病原菌在小鼠肝脏的定殖以及对小鼠的感染致死能力至关重要。紫色色杆菌选择CaM来作为自身毒力因子的辅因子是一个很机智的选择，它巧妙地运用宿主细胞体内Ca2+浓度的变化来实现对毒力蛋白的活性调控。
该研究系统揭示了紫色色杆菌利用效应蛋白CopC催化全新骨架的蛋白质翻译后修饰靶向宿主细胞死亡信号通路的分子机制，并首次于体内外全面阐述了宿主特异性辅因子CaM调控CopC活性的机理，为深入理解病原细菌的致病机制提供了全新的视角，为开发基于“病原-宿主”互作过程的特异性抗菌药物提供了潜在靶标和理论基础。
李姗教授和傅暘研究员为论文共同通讯作者。傅暘课题组张阔博士、田苗博士，李姗课题组博士研究生彭婷、陶新园为共同第一作者，李姗课题组多位硕博研究生参与了该研究。
审核人：李姗
【英文摘要】
Programmed cell death and caspase proteins play a pivotal role in host innate immune response combating pathogen infections. Blocking cell death is employed by many bacterial pathogens as a universal virulence strategy. CopC family type III effectors, including CopC from an environmental pathogen Chromobacterium violaceum, utilize calmodulin (CaM) as a co-factor to inactivate caspases by arginine ADPR deacylization. However, the molecular basis of the catalytic and substrate/co-factor binding mechanism is unknown. Here, we determine successive cryo-EM structures of CaM-CopC-caspase-3 ternary complex in pre-reaction, transition, and post-reaction states, which elucidate a multistep enzymatic mechanism of CopC-catalyzed ADPR deacylization. Moreover, we capture a snapshot of the detachment of modified caspase-3 from CopC. These structural insights are validated by mutagenesis analyses of CopC-mediated ADPR deacylization in vitro and animal infection in vivo. Our study offers a structural framework for understanding the molecular basis of arginine ADPR deacylization catalyzed by the CopC family.
论文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(22)01060-7
