沙门氏菌新型三型分泌系统效应蛋白SseS和SajP的功能研究

Histone lysine methylation is one of the most important epigenetic modification of histones，and is closely related to gene transcription, the formation of heterochromatin, the x chromosome inactivation, genome integrity and development . In eukaryotic cells, Histone lysine methylation can be reversibly regulated by histone lysine methyltransferases(KMTs) containing a conserved SET domain and the histone lysine demethylases(HDMs) harboring a conserverd Jmjc domain( HDM1/LSD1 only exception). Some recent reports and our preliminary results suggest that many pathogenic bacteria can modulate gene transcription through epigenetic manner by encoding a SET domain protein and mimicking the host histone lysine methyltransferase. Because the histone lysine methylation was dynamically regulated by KMTs and HDMs, so, we hypothesize that whether pathogens can also regulate host gene transcription by mimicing histone demethylation enzymes containing a Jmjc domain? BLAST analysis reveals amazing results that some pathogenic bacteria such as Salmonella enterica subsp. arizonae not only encoding SET domain protein, but also encoding a Jmjc domain protein, suggest such pathogens can epigenetically regulate gene expression by taking advantage of two type bacteria effecter proteins possessing the opposite enzymatic activity. This project will focus on the study of enzymology, regulation mechanism, biological function of the novel TTSS effectors containing a SET or Jmjc domain, SseS and SajP, derived from Salmonella enterica subsp. Arizonae and evaluate their role during the course of infection and pathogenic process.

组蛋白赖氨酸甲基化是组蛋白最重要的表观遗传修饰之一，与基因转录调控、异染色体形成、X 染色体失活、基因组完整性及细胞发育等都有密切联系。在真核细胞内，组蛋白赖氨酸甲基化修饰受含SET结构域的组蛋白甲基化酶和含Jmjc结构域的组蛋白去甲基化酶（以及LSD1）的可逆调节。我们前期的研究表明多种病原菌可以通过编码SET结构域蛋白模仿宿主的甲基转移酶通过表观遗传方式调控基因的转录。根据甲基化可逆原则，我们提出假设：病原菌是否也可以模仿组蛋白去甲基化酶并调控宿主基因转录?序列分析表明，亚利桑那沙门氏菌等致病菌不仅编码SET结构域蛋白，还编码Jmjc结构域蛋白，提示这类病原菌可以通过两种酶学活性相反的效应蛋白通过表观遗传方式调控宿主基因的表达。本项目通过对源自亚利桑那沙门氏菌候选三型分泌效应蛋白SseS和SajP开展酶学性质、调控基因、生物学意义等方面研究，探讨其在病原菌感染和致病过程中的作用。

模仿真核细胞关键调控蛋白的生化活性，进而调控宿主相关信号通路从而促进感染和复制是胞内寄生菌广泛采用的致病机制。在真核细胞内，组蛋白赖氨酸甲基化受含SET 结构域的组蛋白甲基化酶和含Jmjc 结构域的组蛋白去甲基化酶（以及LSD1）的可逆调节。我们前期的研究表明多种病原菌通过含SET 结构域的效应蛋白以表观遗传方式调控基因的转录。序列分析表明，亚利桑那沙门氏菌等致病菌不仅编码SET 结构域蛋白（SseS），还编码Jmjc 结构域蛋白（SajP），提示该菌可以通过两种酶学活性相反的效应蛋白调控宿主关键信号通路。本项目对源自亚利桑那沙门氏菌候选三型分泌效应蛋白SseS 和SajP 开展了分泌转运、酶学性质、调控靶标以及生物学意义等方面研究，探讨其在病原菌感染和致病过程中的作用。本课题证明了SseS和SajP是两种新型的依赖于I型毒力岛（SPI-I）的沙门氏菌效应蛋白。由于目前已知的沙门氏菌TTSS效应蛋白仅有约30多个, 因此该项目拓展了沙门氏菌效应因子的研究范围。证明了SseS具有组蛋白甲基化酶修饰活性，且具有体内修饰H3K9me3和H3K27 me3甲基化的能力。该项研究也是本人继发现肺炎军团菌TFSS效应蛋白LegAS4和鼻疽杆菌TTSS效应蛋白BtSET之后再次发现的一类具有组蛋白甲基化修饰能力的细菌毒素,说明通过模拟真核细胞组蛋白甲基化酶是多种胞内致病菌所采取的一种相对通用的调控机制。证明了SseS是一种细胞核定位蛋白，且该分子拥有一段非典型核定位信号。这也是目前已知的为数极少的定位在细胞核内的细菌效应分子。证明了SseS是一种新型的核调素，可以调控宿主线粒体相关基因的表达，并通过调控PHLPP1基因的转录进而抗凋亡。本项目还鉴定了SajP的多种候选互作分子，并为其后续的酶学研究奠定了基础。.本研究是病原微生物学与表观遗传学两门学科交叉发展的具体实践，通过生物化学、细菌遗传学和表观遗传学的研究理念和技术手段来研究并解释了人兽共患病病原沙门氏菌的新型三型分泌系统效应蛋白SseS和SajP的生化功能与生物学意义，拓展了病原微生物与宿主相互作用研究的深度与广度，具有较高的理论创新。