蛋白质设施用户揭示沙门氏菌效应蛋白SopD致病机制
时间 : 2021-02-26     

沙门氏菌作为常见的食源性致病菌,可通过污染食物或水源等侵染宿主,人感染后一般表现为伤寒或肠胃炎等疾症,严重者会危及生命。沙门氏菌在致病过程中会通过三型分泌系统向宿主细胞分泌效应蛋白,帮助其入侵宿主细胞以及在宿主细胞内的生存、繁殖和扩散。SopD家族是沙门氏菌中特有的一类非常保守的效应蛋白,研究表明SopD对于沙门氏菌的入侵,定殖及后期系统感染过程中都发挥着重要作用,也使其成为潜在的抗菌药物的靶点,但是其具体的分子作用机制的缺失严重地限制了相关研究的进展。  

2021年2月19日,国家蛋白质科学研究(上海)设施用户山东大学微生物技术国家重点实验室高翔课题组与耶鲁大学Jorge Galán教授团队合作在Nature Microbiology期刊上发表文章The Salmonella effector protein SopD targets Rab8 to positively and negatively modulate the inflammatory response,在沙门氏菌效应蛋白SopD的致病分子机制方面取得进展。  

在这项工作中,作者首先通过一系列的生物化学的方法筛选了SopD蛋白的作用底物,最终从25种参与细胞膜泡运输的Rab小G蛋白家族中发现Rab8是SopD的特异性底物,并且进一步证明SopD可通过其312位的Arg(R)对Rab8发挥GAP (GTPase activating protein,GTPase激活蛋白) 功能,促进Rab8的GTPase活性,使Rab8从结合GTP的“激活态”变为结合GDP的“失活态”。研究表明Rab8可负向调控TLRs (Toll-like receptors) 受体介导的炎症反应,作者也进一步证明SopD可通过其GAP活性抑制Rab8的功能,从而促进炎症反应。  

为了详细了解SopD和Rab8的分子作用方式,作者通过蛋白质晶体学解析了分辨率约为2.3 ?的SopD-Rab8结合复合物的结构。通过分析结构,作者意外地发现他们可能获得了SopD针对Rab8发挥不同于GAP功能的其他作用方式;并且通过定点突变证明SopD中第293位的Glu(E)在这种结合中起到重要作用。进一步的研究证明SopDE293A的突变体虽然可破坏SopD与Rab8的稳定结合,但并不影响SopD的GAP活性,而SopDR312A丧失了GAP活性却仍然可以和Rab8形成稳定复合物。功能实验也显示SopDE293A相比于SopD会进一步使结合GTP的Rab8减少(失活) ;而SopDR312A相比于SopD会进一步使结合GTP的Rab8增多 (激活) ,暗示着SopD自身还具有与GAP活性相反的功能。  

研究显示,主要有四种调控蛋白参与了Rab家族蛋白的工作循环,GAP和GDI (GDP dissociation inhibitor) 蛋白起到类似“失活”Rab活性的功能,GEF (guanine nucleotide exchange factor) 和GDF (GDI displacement factors) 蛋白起到类似“激活”Rab活性的功能。其中GDI蛋白与结合GDP的Rab蛋白具有较高亲和力,使其无法开启其下游的信号通路;GDF蛋白可以辅助Rab蛋白从GDI上解离下来;GEF蛋白可以使Rab从结合GDP失活状态变为结合GTP激活状态,促进其发挥活性。作者首先证明了SopD并不具有GEF功能。通过进一步的结构分析发现SopD和Rab8的结合界面与GDI和Rab蛋白相互作用界面存在明显的空间位阻,并且通过体外和体内的竞争性结合实验证明SopD和SopDR312A可将Rab8从GDI蛋白上竞争下来,而SopDE293A则不能,表明SopD还具有类似于GDF活性的功能。最后,作者进一步将含有不同SopD突变体的沙门氏菌分别侵染细胞和小鼠,结果表明SopDR312A相比于SopD会明显地减弱炎症反应 (促进Rab8的活性) ,而SopDE293A相比于SopD会明显地促进炎症反应 (抑制Rab8的活性) ,以上结果表明SopD是针对Rab8的具有抑制和促进功能的双功能效应蛋白。  

该研究通过结合微生物遗传学、生物化学、结构生物学和细胞生物学等多种手段,首次从分子水平上揭示了沙门氏菌效应蛋白SopD的作用机制,并意外地发现SopD是少有的同时兼具“阴-阳”双向功能的效应蛋白。一方面SopD通过其GAP活性抑制Rab8介导的抗炎通路,增强炎症反应,促进沙门氏菌的入侵和增殖。另一方面SopD还可通过其类GDF功能,将Rab8从与GDI的紧密结合中释放,促进Rab8蛋白的再激活;通过增强Rab8的介导的抗炎反应,辅助宿主细胞恢复稳态,利于沙门氏菌在宿主细胞的长期定殖。上述研究结果不仅丰富了关于沙门氏菌致病机制的认识,更展示了沙门氏菌效应蛋白在进化过程中的一个杰出产物,为后续针对SopD蛋白研究以及以SopD为靶点的抗菌药物的开发打下了理论基础。

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SopD对Rab8的调控机制示意图  

国家蛋白质科学研究(上海)设施BL19U1线站,上海光源BL17U1线站工作人员为其X射线晶体学衍射数据收集提供了及时有效的支持。  
(蛋白质上海设施提供)