2009年2月18日，北京生命科学研究所邵峰博士实验室在Proc Natl Acad Sci USA杂志在线发表题为“A bacterial type III effector family uses the papain-like hydrolytic activity to arrest the host cell cycle”的文章。该文章报道了许多病原细菌通过其三型分泌系统向宿主细胞注入一类全新的类巯基蛋白酶的效应分子进而引起宿主细胞周期的阻断。
通过三型分泌系统分泌毒力效应蛋白分子进入真核宿主体内，进而阻断或调节宿主免疫相关的信号通路是许多革蓝氏阴性病原菌普遍采用的致病机制，也是目前研究较为广泛的领域。但近年来的研究显示，除免疫信号通路之外，对真核细胞周期的干扰也可能是病原细菌在感染和致病过程中采取的一个重要策略。目前这方面深入的机理研究还鲜有报道。
在这项工作之前，法国的一个研究小组用
遗传筛选的方法发现了某些肠道大肠杆菌能通过其三型分泌系统分泌一个能引起宿主细胞周期阻断的效应分子。邵峰小组在这篇文章中首先发现类鼻疽杆菌(Burkholderia pseudomallei)、昆虫病原线虫共生菌（Photorhabdus luminescens）以及某些肠道耶尔氏菌(Yersinia pseudotuberculosis)的基因组都编码了序列上有一定程度相似的基因，并证明了这些基因编码的蛋白都确实能引起真核细胞周期阻断在G2/M。通过对类鼻疽杆菌的效应分子（命名为CHBP）的结构分析，作者发现，尽管和木瓜蛋白酶（Papain）家族不存在蛋白一级序列上的同源性，这类效应蛋白却具有和木瓜蛋白酶相似的折叠模式。更为重要的是，木瓜蛋白酶家族保守的催化位点三联体（Cys-His-Asp/Asn）在CHBP的相应结构区域，以及整个CHBP家族的效应分子中都保守。定点突变研究发现，无论是在细菌感染，还是将纯化的重组蛋白直接导入到真核宿主细胞中，构成催化位点三联体的氨基酸对引起细胞周期阻断的表型似乎都是绝对必不可少的。通过生物化学和质谱的实验发现，CHBP及其同源效应分子的用于催化的巯基能够被一种叫做E-64的、已知能够特异性修饰木瓜蛋白酶催化三联体中半胱氨酸的小分子抑
制剂所共价修饰。但和木瓜蛋白酶家族一般利用所谓S2位点来识别并决定底物切割位点的性质不一样的是，CHBP的S2位点没有显著的结构特征，而其S1/S1’位点却有一个非常特征性的带负电荷的口袋结构。该位点的突变能使CHBP家族的效应分子彻底丧失阻断细胞周期的功能。作者进一步通过分子模拟和对接的研究发现，这个带负电荷的口袋可以非常理想地结合一个精氨酸，而精氨酸也似乎是20个氨基酸中唯一适合结合该口袋结构的氨基酸。这个结果说明，CHBP家族的效应分子极有可能需要识别其靶点蛋白中一个精氨酸来行使其功能。
这篇文章不仅揭示了一类全新的存在于多种致病菌中、且具有很强的阻断细胞周期活性的三型分泌系统效应分子，而且发现这类病原效应分子是通过和木瓜蛋白酶类似的催化活性来实现对细胞周期的阻断，为后续进一步寻找其宿主靶点蛋白和彻底阐明作用机理的研究提供了很好的线索和依据。由于这类效应分子引起的细胞周期阻断（G2/M）并不涉及已知的DNA损伤途经，这项研究也将很有可能丰富和加深人们对真核细胞周期本身的理解。有趣的是，邵峰博士在早年对耶尔氏菌三型分泌系统效应分子的功能研究中，首次发现耶尔氏菌的YopT分子和植物假单胞菌的AvrPphB定义了一类广泛存在于多种细菌病原体中新的、和木瓜蛋白酶类似的巯基蛋白酶家族（Cell, 2002, v109, p575; Science, 2003, v301, p1230; Proc. Natl. Acad. Sci., 2004, v101, p302）。本文报道的结果（以及近几年国际上其他几个实验室的研究发现）也延续和进一步验证了病原细菌通过具有巯基蛋白酶活性的毒力效应因子来感染和致病是一个较为普遍的机制的观点。
技术员姚庆和研究生崔霁欣为本文共同第一作者；其他参与此项工作的还有，朱永群博士，汪国轮（技术员），胡丽燕（技术员），刘新奇博士，柳丽萍（技术员）；本所的曹冉和黄牛博士以及蛋白质组中心的龙承祖和陈涉也参与了部分研究工作；邵峰博士为本文通讯作者。
此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，完全在北京生命科学研究所完成。
作者：
2009-2-21