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邵峰實驗室利用沙门氏菌效应蛋白揭示V-ATPase-ATG16L1介导异源自噬的分子机制

發布時間:2019/07/29

2019年7月18日,我所邵峰實驗室在《Cell》杂志在线发表题为“A Bacterial Effector Reveals the V-ATPase-ATG16L1 Axis that Initiates Xenophagy”的文章。文章报道沙门氏菌编码的效应蛋白SopF可以特异抑制异源自噬,敲除sopF基因後沙門氏菌可高效誘導異源自噬的發生。以此爲突破口,鑒定出V-ATPase是感知細菌感染的關鍵蛋白,通過招募自噬蛋白ATG16L1介導異源自噬的啓動。爲真核細胞如何識別胞內細菌並觸發自噬通路提供全新的分子機制。

真核細胞通過選擇性自噬的方式識別胞內病原體的過程稱爲異源自噬(xenophagy)。異源自噬在宿主天然免疫防禦中發揮重要作用。關于異源自噬發生的分子機制一直是領域內研究的熱點問題。雖然已有衆多假說被提出,但由于現有模型中異源自噬發生比例低等問題的存在,使得人們很難判斷假說的正確性。

沙门氏菌经常被用作研究异源自噬机制的生物模型。然而, 人们很早就注意到, 侵入宿主细胞内的沙门氏菌仅在感染早期有少量细菌会被细胞自噬识别。除了研究宿主细胞中的天然免疫通路,邵峰實驗室也长期致力于研究细菌效应蛋白抑制宿主的免疫识别过程。于是研究者猜想沙门氏菌中可能存在抑制异源自噬的效应蛋白。通过沙门氏菌转座子遗传筛选,研究者发现一个全新的沙门氏菌III型分泌系统(T3SS)效应蛋白,SopF,可以抑制异源自噬。sopF基因的敲除使得細菌被自噬識別的水平提高至80%。另外,研究者還發現,在真核細胞外源表達SopF可抑制不同種類細菌觸發的自噬過程,但對于經典自噬通路卻沒有抑制作用。因此SopF的發現爲研究異源自噬通路的機制提供了一個絕佳的突破口。

经过巧妙的实验设计,研究者利用CRISPR与流式分选技术相结合的方法,筛选出V-ATPase复合物可能参与异源自噬过程。并利用三组平行实验证明了V-ATPase复合物介导异源自噬。在触发异源自噬的条件下,研究者检测到V-ATPase复合物招募自噬蛋白ATG16L1至包裹细菌的膜泡结构上,并启动异源自噬。研究者还证明细菌感染过程中引发的膜泡损伤被V-ATPase感知而结合ATG16L1。V-ATPase与ATG16L1的相互作用依赖于ATG16L1的WD40结构域(这一结构域不参与经典自噬通路,在酵母中也不存在), 并且二者的结合可以被SopF破坏。SopF通过抑制V-ATPase-ATG16L1通路进而促进沙门氏菌在体内的扩散与增殖。

通过解析SopF的晶体结构, 研究者发现其具有ADP-核糖基转移酶活性。经过巧妙的修饰底物富集的实验设计与质谱鉴定, 研究者证明SopF可以催化V-ATPase复合物中ATP6V0C亚基的第124位谷氨酰胺发生ADP-核糖基化修饰。将细胞中第124位谷氨酰胺替换为丙氨酸后,V-ATPase与ATG16L1不再能结合,异源自噬过程被完全抑制。这说明ATP6V0C第124位谷氨酰胺对于细菌触发的V-ATPase-ATG16L1相互作用至关重要,当SopF对其进行修饰或替换为丙氨酸均破坏了异源自噬的发生。


本研究從沙門氏菌轉座子篩選發現異源自噬的抑制蛋白SopF出發,一方面利用宿主細胞的遺傳學篩選鑒定到V-ATPase複合物,另一方面通過ADP-核糖基化蛋白組學鑒定出SopF的修飾底物ATP6V0C,最終共同證明V-ATPase-ATG16L1的結合介導異源自噬通路。宿主細胞巧妙地利用V-ATPase識別細菌感染早期引發的膜泡損傷,激活異源自噬通路;沙門氏菌也進化出高效的應對機制,即通過分泌效應蛋白SopF特異性修飾V-ATPase,阻斷自噬蛋白的招募,逃脫宿主細胞的免疫識別(下圖)。V-ATPase-ATG16L1的發現爲異源自噬的發生機制提供了強有力的實驗證據,解答了長期以來關于異源自噬識別的疑問,也爲其他選擇性自噬通路的研究提供新的實驗思路。

我所邵峰實驗室博士生许悦(北京生命科學研究所和中国农业大学联合培养)为本文第一作者。邵峰實驗室周平博士(第二作者)与北京大学刘小云實驗室程森博士(第三作者)均对本工作有重要贡献。该论文的其他作者还包括陆秋鹤博士、史旭焱、周志伟博士、高文青博士、李达、何华斌博士、丁璟珒博士,蛋白质中心李琳,以及瑞士苏黎世大学Kathrin Nowak、Ann-Katrin Hopp、Michael O. Hottiger博士。邵峰博士为本文通讯作者。该研究由基金委基础科学中心项目,科技部国家重点研发计划,中科院先导计划和瑞士国家科学基金会资助,在北京生命科學研究所完成。