美高梅登录学者《科学》刊文,揭示两个重要蛋白“欲谋其政须在其位”的奥秘

发布时间:2019-10-25来源:美高梅登录新闻办作者:柯溢能 吴雅兰 卢绍庆0

先天性免疫反应是人体防御外来病原体和应激物的第一道防线。这种快速非特异性的反应,依赖于模式识别受体对病原相关分子模式以及损伤细胞所释放的损伤相关分子模式的快速识别。

胞质中的NOD蛋白就是在血液和小肠这两大系统中的重要模式识别受体,其家族中的NOD1NOD2是抗细菌免疫的关键模式识别受体,它们通过识别细菌胞壁成分肽聚糖来介导免疫应答信号途径活化发挥重要作用。

近日,手机版美高梅网站医学院基础医学系Dante Neculai教授团队研究发现,NLR家族的两个重要受体蛋白NOD1和NOD2能够在棕榈酰转移酶ZDHHC5的作用下发生棕榈酰化修饰,从而介导细菌性炎症信号通路的发生。这一发现有效地连接起科学机理与临床问题,未来在诊断和治疗上或有重要价值。

这项研究,当地时间10月24日刊登在国际顶尖杂志《科学》(Science),手机版美高梅网站医学院基础医学系2015级博士生陆喦、2017级博士生郑裕萍,加拿大Princess Margaret癌症研究所研究中心博士后?tienne Coyaud,手机版美高梅网站医学院基础医学系讲师张超为共同第一作者。手机版美高梅网站医学院基础医学Dante Neculai教授、孙启明教授、加拿大Princess Margaret癌症研究所研究中心Brain Raught教授、多伦多St Michael医院Gregory D. Fairn教授为共同通讯作者。

ZDHHC5介导的NOD1/2棕榈酰化在病原细菌感知过程的示意图

哨兵”如何在其位谋其政

NOD1NOD2是炎症性肠病(IBD)的先天性免疫的重要识别受体,作为“哨兵”的模式识别受体,它们各有各的岗位,有的在“城墙”上工作,有的在“城墙”内工作。

很长一段时间,科研人员认为NOD1和NOD2蛋白这两个“哨兵”主要在“城墙”以内的细胞质中工作,通过侦探“敌情”,进而释放炎症因子招募下游的白细胞的吞噬病原菌或者修复受损部位,恢复细胞结构。

随着研究的发展,科学家们发现NOD1和NOD2蛋白不仅在“防火墙”以内,而且还贴着“防火墙”工作。然而NOD1和NOD2蛋白缺乏结合膜结构域,天然与细胞膜 “磁场不合”,那它们为什么却能在这里防守呢?科学家们一直在寻找其中的奥秘。

Dante Neculai团队的科研人员发现,NOD1和NOD2蛋白通过酯化修饰,把一个16碳的饱和脂肪酸连接到了细胞膜疏水层,这就好像一个“锚”把哨兵固定在城墙内侧。

那么谁给了NOD蛋白这个“锚”呢?科研人员继续破案,发现是棕榈酰化转移酶(ZDHHC5)这个“司令”,把棕榈酰脂肪酸这个“锚”,安放给NOD1和NOD2蛋白这两个“哨兵”。这样,它们就可以老老实实呆在城墙内侧抵御外敌(病原细菌)入侵。

锚定在“城墙”是这么重要

NOD1、NOD2的工作机制是,ZDHHC5受到外来病原菌刺激后,对NOD1、NOD2进行棕榈酰化修饰,进而这两个蛋白可以到膜上工作,介导细菌内吞。随着细胞质联合形成内吞体,内吞体演变成晚期内吞体,之后各种各样的水解酶,把细菌消耗降解,降解成片断后,里面的有效成分可以通过内吞体上的转运体“通道”进入到细胞质中,进一步激活处于细胞质的NOD1、NOD2,激活下游的炎症反应。

在整个炎症通路中,很多科研人员思考的是为什么要到“城墙”工作?

病原物的入侵就如同发生,哨兵看到后,立即向大家报告,才能引来其他细胞一起“救火”。由此可见,作为哨兵的NOD1和NOD2在发现敌情并向下游报告的工作,是整条通路中的重要一环。

“当激活炎症通路后,巨噬细胞就会释放炎症因子,炎症因子能够招募血液中更多的白细胞,去粘附在损伤和入侵部位,进而或修复这个部位,或吃掉病菌。”Dante Necula说,不把NOD蛋白锚定在细胞膜上,就不能有这一连串的反应。要是不钉在细胞膜上,离着八丈远就无法第一时间汇报敌情,从而造成入侵病原的进一步感染,使疾病发生或恶化。原来一直知道“哨兵”定位特殊这个现象,但是不知道是谁让‘哨兵’守护在那里的具体分子机理。”

NOD1NOD2是天然免疫研究的两个模式分子,可以对病原识别等研究提供了重要的理论和实例借鉴。匿名评审专家表示,该论文显示出作者们的研究工作非常严谨,多条线索阐明了文章主旨。这项研究发现具有很高的创新性,将会病原性免疫反应的领域引起广泛关注。

为什么是ZDHHC5这个“司令”呢?

科研人员顺着细菌进入细胞的两个线路去发掘线索,他们发现,不论是细菌直接入侵,还是通过内吞体间接进入细胞,都会发生棕榈酰化,让NOD1和NOD2带上“锚”,然而棕榈酰转移酶有24个成员,确定哪一个才是真正的目标靶点是工作的重要部分。

科研人员将与NOD1和NOD2有关的互作蛋白都查了一遍,寻找“究竟是谁给了武器”,通过绘制网络,目标聚焦在了ZDHHC5上。而且科研人员还发现,上膜和下膜还是一个循环的过程。ZDHHC5先从细胞中拿到“锚”,然后再转移到NOD1和NOD2身上。当有外敌入侵时,会有更多催化信号。

Dante Neculai教授的团队采用新的蛋白互作质谱联用法(BioID),酰基生物素置换法(ABE)及荧光素酶报告系统,基因敲除鼠等手段,发现NOD1NOD2的棕榈酰化修饰是影响其亚细胞定位及正确免疫应答功能的关键因素,并鉴定了NOD1NOD2棕榈酰化的发生位点及相应的棕榈酰转移ZDHHC5ZDHHC5 主要定位于细胞质膜,NOD1、NOD2能够在此被棕榈酰化从而定位于质膜。

另外,在沙门氏菌的侵袭下,ZDHHC5 能够被招募于含病原菌的内体膜,从而吸引并修饰胞质内更多 NOD1/2,使其定位于内体膜。各种 SLC 家族的转运蛋白将病原菌细胞壁中的肽聚糖组分转运至细胞质中(MDP, DAP),棕榈酰化修饰的 NOD1NOD2能够识别并诱发细胞内NOD1和NOD2介导的免疫应答,从而促使入侵者被自噬降解及宿主细胞炎症因子的释放。

在全球范围内,肠炎每年会造成成千上万人的死亡。”孙启明表示,目前的发现可以在临床上为遗传性肠炎提供诊断的新标志。未来还有望通过设计治疗方案,开发潜在化合物让蛋白的功能恢复,从而缓解或者治愈炎症性肠病。

该研究受到科技部、国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金等项目的资助。除了论文中列出的单位和作者,手机版美高梅网站公共科研平台以及其他一些实验室都为本项目的顺利完成给予了大力的支持。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6464/460.full

(文 柯溢能 吴雅兰/摄影 卢绍庆 图片由课题组提供)

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