《自然》：改寫教科書！科學家首次發現，泛素化底物竟然可以不是蛋白質丨科學大發現

朋友們！

咱們的認知又要被重新整理了！

近日，英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室的Elsje G。 Otten和Felix Randow及其團隊，在研究細胞抗細菌感染機制的過程中偶然發現，

泛素化的底物竟然還可以不是蛋白質，而是一種脂多糖

。［1］

如此看來，咱們的教科書又要修改了！考試知識點又雙叒要增加了！

相關成果發表於頂級期刊《自然》雜誌。

論文首頁截圖

說起泛素化，大家肯定不陌生。

它是真核生物中一種廣泛存在的蛋白質翻譯後修飾，幫助細胞降解有問題的蛋白質

。它在細胞週期調控、細胞凋亡、細胞訊號轉導等諸多生命活動都發揮著重要的作用。［2］

一般情況下，泛素化的過程如下：泛素先由E1活化酶活化，而後被轉移到E2結合酶，最後由E2結合酶轉交給E3連線酶，E3連線酶找到蛋白底物完成泛素化修飾。

那麼Otten和Randow團隊是如何發現脂多糖也可以是泛素化的底物的呢？

其實，Otten和他的同事一開始也不是奔著研究泛素化去的。他們是想搞清楚人體細胞究竟是如何清除沙門氏菌感染的。

之前的研究已經發現，

細胞在清除進入細胞內的沙門氏菌時，首先會啟動泛素化過程，給沙門氏菌打上“垃圾”的標籤，然後細胞會啟動自噬的功能，清除“垃圾”

。［3-5］

這個過程看上去雖然簡單，但是研究人員並不清楚它究竟是如何發生的。或者說

不清楚背後的分子機制

。［6-9］

Otten和他的同事就是想解開這個謎題。

為了解開這個謎題，研究者們利用結構光照明顯微鏡和免疫印記法，研究了宿主細胞抗沙門氏菌感染的過程。

研究結果讓他們大吃一驚。

因為他們發現，

泛素化的位點竟然是細菌膜表面的脂質成分——脂多糖 (LPS) 分子

。

脂多糖常在細菌致病性中起主要作用，在細菌外膜中由脂質 A、寡糖和O-抗原組成。［10］

看到這樣的研究結果，估計不管是誰都不敢相信。

為了證明自己沒有出錯，研究者們設計了一系列實驗來反覆驗證這個實驗結果。

結果他們一遍又一遍地得到同一個結論：

脂多糖這個非蛋白質真的是泛素化底物！

這一發現可謂是“無心插柳柳成蔭”！就像電影裡的常用情節，好好的地質勘探，結果挖出來了個沉睡的外星人或者Captain American這個老冰棒（？）！

既然已經證實了脂多糖也可以被泛素化，那這個過程究竟是如何發生的呢？

利用泛素化酶（來自人類宿主細胞的提取物）以及不同菌株的細菌，研究者們設計了一個體外重建泛素化事件的實驗。

果然，結果再次證明，人類宿主細胞在抗沙門氏菌感染時的泛素化底物是脂多糖，並且確定了

泛素化修飾的具體位點是脂多糖上的脂質A，作用位點可能是羥基、磷酸基團

。

既然已經找到了細菌表面被泛素化的“靶子”，那緊接著就是尋找那個“口味獨特”的E3連線酶。

接下來，研究者們對HeLa細胞裂解物進行了各種分離純化，並進行了質譜分析。層層分析過後，終於在茫茫人海之中找到了那個人，不對，那個蛋白質。

蛋白質RNF213就是那個以脂多糖為泛素化底物的E3連線酶

。

那RNF213是個什麼人物？已有研究表明，RNF213是一種新型（591kDa）E3泛素連線酶，它的E3連線酶活性結構域包括RZ結構域、RING結構域和動力蛋白樣的AAA+結構域。其中

RING結構域的缺失對RNF213的E3連線酶活性沒有明顯影響

；相比之下，

AAA+結構域和RZ結構域對其E3連線酶活性則至關重要

。［11］

RNF213的結構域。N-lobe、 M-lobe、C-lobe分別表示N端、中間和C端。紅色箭頭指向為RZ結構域。

也就是說，

RNF213作為E3連線酶以脂多糖為泛素化底物，參與了細胞抗細菌感染中由泛素化修飾介導的自噬機制

。

在隨後的研究中，研究人員還發現，

RNF213在將泛素連線到脂多糖分子上之後，還可以透過另一種E3連線酶進一步放大泛素化訊號

，促進沙門氏菌被自噬清除。

RNF213透過直接（對脂多糖的泛素化）和間接（以脂多糖的泛素化來招募LUBAC［8］）在細菌表面形成泛素化塗層。

總體來說，研究者們完成了對抗細菌感染機制的進一步探索——

RNF213以脂多糖為泛素化底物，介導了宿主細胞抗細菌感染中的泛素化依賴性自噬行為

。同時，這個研究還對泛素化研究領域進行了重大完善和拓展——

泛素化的底物不限於蛋白質，也可以是非蛋白質

。

這個發現或許還會拓寬基於泛素化過程的藥物研發思路。

正如美國國家科學院院士Carolyn Bertozzi發的推文所說“

一旦脫離了‘蛋白質’這一思維限制，還會出現更多有趣的發現！

”

讓我們拭目以待吧！

參考文獻：

［1］Otten， E。G。， Werner， E。， Crespillo-Casado， A。 et al。 Ubiquitylation of lipopolysaccharide by RNF213 during bacterial infection。 Nature 594， 111–116 （2021）。

［2］Swatek， K。， Komander， D。 Ubiquitin modifications。 Cell Res 26， 399–422 （2016）。

［3］Huang， J。 & Brumell， J。 H。 Bacteria–autophagy interplay： a battle for survival。 Nat。 Rev。 Microbiol。 12， 101–114 （2014）。

［4］Perrin， A。 J。， Jiang， X。， Birmingham， C。 L。， So， N。 S。 Y。 & Brumell， J。 H。 Recognition of bacteria in the cytosol of mammalian cells by the ubiquitin system。 Curr。 Biol。 14， 806–811 （2004）。

［5］Deretic， V。， Saitoh， T。 & Akira， S。 Autophagy in infection， inflammation and immunity。 Nat。 Rev。 Immunol。 13， 722–737 （2013）。

［6］Huett， A。 et al。 The LRR and RING domain protein LRSAM1 is an E3 ligase crucial for ubiquitin-dependent autophagy of intracellular Salmonella Typhimurium。 Cell Host Microbe 12， 778–790 （2012）。

［7］Manzanillo， P。 S。 et al。 The ubiquitin ligase parkin mediates resistance to intracellular pathogens。 Nature 501， 512–516 （2013）。

［8］Noad， J。 et al。 LUBAC-synthesized linear ubiquitin chains restrict cytosol-invading bacteria by activating autophagy and NF-κB。 Nat。 Microbiol。 2， 17063 （2017）

［9］Franco， L。 H。 et al。 The ubiquitin ligase Smurf1 functions in selective autophagy of Mycobacterium tuberculosis and anti-tuberculous host defense。 Cell Host Microbe 21， 59–72 （2017）。

［10］Raetz， C。 R。 H。 & Whitfield， C。 Lipopolysaccharide endotoxins。 Annu。 Rev。 Biochem。 71， 635–700 （2002）。

［11］Ahel， J。 et al。 Moyamoya disease factor RNF213 is a giant E3 ligase with a dynein-like core and a distinct ubiquitin-transfer mechanism。 eLife 9， e56185 （2020）。

本文作者 | 張艾迪