2013年8月18日，北京生命科學(xué)研究所邵峰博士實驗室在Nature雜志（Advance Online Publication）發(fā)表題為“Pathogen blocks host death receptor signaling by arginine GlcNAcylation of death domains”的文章,。該文章報道了腸道致病菌毒力效應(yīng)蛋白NleB家族通過N-乙酰葡萄糖胺單糖基化修飾宿主死亡結(jié)構(gòu)域中一個保守的精氨酸抑制死亡受體介導(dǎo)的炎癥和死亡信號通路,，促進(jìn)病原菌在宿主體內(nèi)的生存和繁殖。
通過三型分泌系統(tǒng)將毒力效應(yīng)蛋白“注射”到真核細(xì)胞內(nèi),，從而阻斷或調(diào)節(jié)宿主的各種信號通路,，是常見革蘭氏陰性致病菌感染和致病的重要機(jī)制。邵峰實驗室的一個研究方向是以痢疾桿菌和腸致病大腸桿菌（EPEC）等腸道菌為模型研究三型分泌系統(tǒng)在病菌逃逸和抑制天然免疫中的功能和分子機(jī)制,。此前有關(guān)腸致病大腸桿菌的研究已報道了多個具有抑制宿主NF-κB炎癥反應(yīng)活性的三型分泌系統(tǒng)效應(yīng)蛋白（包括NleE和NleB等）,，但這些效應(yīng)蛋白的生化作用機(jī)制以及他們在細(xì)菌感染動物中到底起什么樣的作用是該領(lǐng)域的一個重要問題。
邵峰實驗室在此前的研究中揭示了NleE效應(yīng)蛋白抑制NF-κB通路的機(jī)制是通過甲基化修飾該通路中的TAB2/3分子C端鋅指結(jié)構(gòu)域中的一個半胱氨酸,，從而阻斷TAB2/3介導(dǎo)的泛素鏈信號識別和傳遞（Zhang et al.,， Nature 2012）。在這項關(guān)于NleB作用機(jī)制的研究中,，他們首先發(fā)現(xiàn)NleB能有效抑制腫瘤壞死因子（TNFα）激活NF-κB炎癥反應(yīng),，而對IL-1β激活NF-κB沒有影響。隨后他們綜合酵母雙雜交和免疫共沉淀等生化手段,，鑒定出TNF受體（TNFR1）下游的接頭分子TRADD為NleB的宿主靶蛋白,，并發(fā)現(xiàn)NleB作用于TRADD C端死亡結(jié)構(gòu)域（death domain）并抑制其寡聚化。與生化結(jié)果一致的是,，他們發(fā)現(xiàn)NleB不僅能抑制TNFα激活NF-κB炎癥反應(yīng),，而且也能有效阻斷TNFα誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死。通過一系列的質(zhì)譜分析和體內(nèi)外的生化實驗,，他們進(jìn)一步揭示NleB是一種全新的糖基轉(zhuǎn)移酶,，對TRADD死亡結(jié)構(gòu)域中235位的精氨酸進(jìn)行N-乙酰葡萄糖胺化修飾，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)域喪失寡聚化的活性,。
人基因組編碼34個死亡結(jié)構(gòu)域蛋白,，其中三分之一都含有這個保守精氨酸,，它們多在TNFR1、FAS和TRAIL等死亡受體通路中起重要功能,。通過大量細(xì)菌感染和體外生化實驗,，邵峰及其同事進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，NleB可以高效修飾多個在死亡受體通路中起關(guān)鍵作用的接頭蛋白（TRADD,，F(xiàn)ADD和RIPK1）,，部分修飾TNFR1和FAS等死亡受體本身，但不能修飾不含有保守精氨酸的死亡結(jié)構(gòu)域蛋白Myd88和IRAK1,。其中對FAS的修飾位點正是在自身免疫性淋巴細(xì)胞增生綜合征(ALPS)中有高頻率突變的位點,。他們的工作表明NleB最主要的功能實際上是通過阻斷死亡結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)的DISC（death inducing signaling complex）復(fù)合體的形成，從而抑制TNFα,，F(xiàn)AS ligand和TRAIL等死亡受體配體誘導(dǎo)宿主細(xì)胞凋亡和壞死,。在小鼠感染的實驗中，他們還發(fā)現(xiàn)NleB糖基轉(zhuǎn)移酶活性的缺失導(dǎo)致細(xì)菌不能在腸道中有效定殖,。結(jié)合此前的工作,，這項研究表明對腸致病大腸桿菌來說僅僅抑制NF-κB炎癥通路不足以幫助病菌實現(xiàn)宿主體內(nèi)定殖，還需要抑制死亡受體介導(dǎo)的免疫防御通路,。
該項研究首次報道病原菌可以直接作用于死亡受體復(fù)合物,，展示了一種全新的病原菌毒力作用機(jī)制，揭示了腸致病大腸桿菌如何通過抑制天然免疫實現(xiàn)在宿主體內(nèi)有效定殖的分子機(jī)制,。更為重要的是,，N-乙酰葡萄糖胺這種翻譯后修飾以前一直被認(rèn)為只發(fā)生在絲氨酸/蘇氨酸上，這種O-連接的N-乙酰葡萄糖胺修飾在細(xì)菌到人中都保守,，已有超過1,，000 種蛋白被發(fā)現(xiàn)存在這種修飾，該修飾被認(rèn)為和蛋白質(zhì)磷酸化類似,，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用,。邵峰實驗室的工作首次報道了在精氨酸上也可以發(fā)生N-乙酰葡萄糖胺修飾，由于以前對這種修飾的鑒定都是基于O-連接的假設(shè),，這項研究也暗示精氨酸N-乙酰葡萄糖胺化這種新型蛋白翻譯后修飾可能廣泛存在，在調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用,。
邵峰實驗室博士研究生李姍和張麗為本文共同第一作者,；質(zhì)譜中心技術(shù)員李琳和丁小軍，邵峰實驗室博士后姚慶,、董娜和研究生高文青,，王曉東實驗室博士后孫麗明以及北京大學(xué)研究生容杰和陳興研究員也參與了部分研究工作；質(zhì)譜中心主任陳涉博士和邵峰博士為本文共同通訊作者,。此項研究工作受到科技部973計劃,、北京市科委和美國霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所資助,，在北京生命科學(xué)研究所完成。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature12436
PMC:
PMID:
Pathogen blocks host death receptor signalling by arginine GlcNAcylation of death domains
Shan Li, Li Zhang, Qing Yao, Lin Li, Na Dong, Jie Rong, Wenqing Gao, Xiaojun Ding, Liming Sun, Xing Chen, She Chen & Feng Shao
The tumour necrosis factor (TNF) family is crucial for immune homeostasis, cell death and inflammation. These cytokines are recognized by members of the TNF receptor (TNFR) family of death receptors, including TNFR1 and TNFR2, and FAS and TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) receptors1. Death receptor signalling requires death-domain-mediated homotypic/heterotypic interactions between the receptor and its downstream adaptors, including TNFR1-associated death domain protein (TRADD) and FAS-associated death domain protein (FADD)2. Here we discover that death domains in several proteins, including TRADD, FADD, RIPK1 and TNFR1, were directly inactivated by NleB, an enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) type III secretion system effector known to inhibit host nuclear factor-κB (NF-κB) signalling3, 4. NleB contained an unprecedented N-acetylglucosamine (GlcNAc) transferase activity that specifically modified a conserved arginine in these death domains (Arg 235 in the TRADD death domain). NleB GlcNAcylation (the addition of GlcNAc onto a protein side chain) of death domains blocked homotypic/heterotypic death domain interactions and assembly of the oligomeric TNFR1 complex, thereby disrupting TNF signalling in EPEC-infected cells, including NF-κB signalling, apoptosis and necroptosis. Type-III-delivered NleB also blocked FAS ligand and TRAIL-induced cell death by preventing formation of a FADD-mediated death-inducing signalling complex (DISC). The arginine GlcNAc transferase activity of NleB was required for bacterial colonization in the mouse model of EPEC infection. The mechanism of action of NleB represents a new model by which bacteria counteract host defences, and also a previously unappreciated post-translational modification.
