痢疾杆菌效应蛋白调节宿主信号通路的致病机制研究

Shigella，the causative agent of human Shigellosis, delivers many virulent effector proteins into the host cells via its special type III secretion system. The injected effectors target the host key signaling molecules to manipulate the host signaling pathways for bacterial infection and proliferation. Therefore, the type III effectors are the weapons of Shigella and play key roles in its infection process. We utilize multiple-disciplinary approaches of microbiology, biochemistry, cell biology and structural biology to identify the biochemical activities and host targets of Shigella effectors to uncover their molecular mechanisms in modulating the host signaling. We have uncovered the novel mechanisms of four Shigella effectors and published two papers as corresponding author in Cell and PLOS Pathogens, respectively. In this study, we plan to study the molecular mechanisms of three important Shigella effectors: IcsB, OspC1 and OspB. We will also investigate the novel interaction mechanism of IpaH3, a Shigella effector with the new-type ubiquitin E3 ligase activity, with its host E2 enzyme UbcH5, and try to apply IpaH3 as a new research tool in eukaryotic cell signaling studies.

痢疾杆菌是人类细菌性痢疾的主要病原菌，其通过三型分泌系统将毒性效应蛋白分子注射到宿主细胞中,效应蛋白作用于宿主关键信号分子,从而调节宿主信号通路,以利于细菌的入侵与感染，因此效应蛋白是痢疾杆菌的关键致病因子，在与宿主相互作用过程中发挥最重要的作用。我们综合运用微生物、生化、细胞、结构等研究手段，通过鉴定效应蛋白的生化活性和宿主靶分子，阐明效应蛋白调节宿主信号通路的致病分子机制。申请人先前已成功揭示4个痢疾杆菌效应蛋白的全新分子机理，实验室先后在Cell、PLOS Pathogens等上发表相关研究论文，并获得其他良好的前期进展。在此前工作基础上，本项研究计划以机制未知的痢疾杆菌重要效应蛋白IcsB、OspC1和OspB为研究对象，探索它们调节宿主信号通路的分子机理；同时以具有全新泛素连接酶活性的效应蛋白IpaH3为研究对象，研究效应蛋白与宿主分子的新型相互作用机制，尝试将效应蛋白应用成真核细胞生物学研究的新工具。

痢疾杆菌是人类细菌性痢疾的病原菌，广泛地威胁着人类健康。痢疾杆菌通过三型分泌系统分泌毒性效应蛋白到宿主细胞中，作用于宿主关键信号分子，调节宿主信号通路，促进细菌的侵染，逃避宿主免疫防御,破坏了宿主细胞的稳态，导致人类痢疾病的发生，因而效应蛋白是痢疾杆菌的关键致病因子。本项目主要针对痢疾杆菌效应蛋白IcsB代表的家族效应蛋白为主要研究对象，利用多学科技术手段，揭示它们的宿主靶标、生化活性以及在感染中的功能。并在此基础上，进一步将研究扩展到其他家族效应蛋白的功能以及病原菌致病机制相关研究。项目高质量地按计划完成了主要研究内容，在高水平期刊上共发表研究论文7篇，其中包括Science论文 1篇，Nature Microbiology、Molecular Cell等论文4篇；培养了多名优秀青年人才，毕业的研究生和博士后先后受聘独立PI研究员、助理教授等岗位；项目还积极促进了项目负责人的成长，加强了项目负责人与国内外同行的学术交流，促进该领域的共同进步；经费使用规范，达到了研究计划的预期目标。.主要成果包括：（1）发现IcsB/RID家族效应蛋白独特的赖氨酸长链脂肪酰基转移酶活性及抑制宿主免疫防御反应的全新机制（Science，2017）；（2）鉴定出特异地切割宿主线性泛素链的全新去泛素化酶RavD，解决领域内长期存在的一个科学疑问（Nat Microbiol，2019）；（3）发现CteC家族效应蛋白特异地对宿主泛素进行全新的苏氨酸ADP-核糖基化修饰、并彻底阻断宿主泛素信号通路的分子机制（Mol. Cell， 2020）；（4）发现病原菌IVb型分泌系统接头蛋白IcmS/IcmW调控效应蛋白分泌的双功能作用机制（PNAS，2017）；（5）揭示病原菌I-F型CRISPR-Cas系统的抑制机制（NSMB，2016）；(6)效应蛋白OspC1、OspB和IpaH 效应蛋白的功能展开了深入探索研究,发现OspC1调节宿主炎症反应，发现OspB能够抑制宿主细胞凋亡信号通路，并且具有一个Cys-His-Asp的催化三联体基序，为进一步研究提供了坚实的基础。成果获得了同行的高度关注和良好评价，加深了人们对病原菌与宿主相互作用的认识，揭示了一系列全新的生化活性，为研制新型抗菌药物提供了新靶标。