上海药物所揭示氧化感应因子 AbfR 的作用机制

来源:上海药物研究所 / 作者: / 2017-02-13
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蛋白质翻译后修饰是生物体实现功能多样性调控的重要途径。活性氧(ROS, reactive oxygen species)参与的信号转导通路主要通过蛋白质活性半胱氨酸的氧化还原化学来实现抗性基因表达的转录调控。中国科学院上海药物研究所杨财广课题组日前揭示了表皮葡萄球菌转录因子 AbfR 感应 ROS 氧化,调控抗氧化基因表达的结构基础和分子机制。该论文于 1 月 13 日在线发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上。

氧化感应因子蛋白质是调控抗氧化基因表达的氧化传感器。半胱氨酸首先被氧化成活泼的次磺酸,接下来可能与小分子量硫化物或者蛋白质中的活性半胱氨酸等形成二硫键。二硫键修饰后可导致转录因子结合 DNA 区域发生构象变化,影响结合 DNA 的亲和力,实现抗性基因表达的转录调控功能,从而提高对氧化压力的抵抗能力。二硫键修饰可在还原性条件下回复到最初的硫醇状态。此外,次磺酸还可以被特定的氧化剂氧化为不可逆的过氧化修饰,即亚磺酸和磺酸,其功能与分子机制的研究尚不多见。

上海药物所杨财广、蓝乐夫课题组早期合作研究发现表皮葡萄球菌感应 ROS 的转录调节因子 AbfR 属于 MarR 家族成员(J. Biol. Chem. 2013, 288, 3739-3752),其显著特点是通过二硫键化学改变蛋白质的构象。AbfR 通过传感器半胱氨酸 Cys13 和别构半胱氨酸 Cys116 间发生分子间的二硫键氧化修饰,感知氧化应激,解除对下游抗氧化基因的转录阻遏。理论上,AbfR 的氧化化学可以形成二硫键以及过氧化修饰,杨财广指导博士研究生刘桂杰和刘幸对此继续展开深入探索。

该研究首先表征了过氧化修饰 AbfR 的功能与机制。质谱学实验确证,AbfR 除了分子间二硫键修饰外,传感器半胱氨酸 Cys13 还发生过氧化修饰,即生成亚磺酸和磺酸。晶体结构显示过氧化修饰 AbfR 整体构象与还原态 AbfR 高度类似,基本保留了结合启动子 DNA 的能力,保持对抗氧化基因的转录阻遏。虽然 AbfR 过氧化修饰直接“原位”消耗氧,预期可以作为缓解氧化压力的一种机制,但是过氧化的 AbfR 并没有解除对抗氧化基因的转录阻遏。事实上,研究没有检测到具有生物学意义浓度的过氧化修饰的 AbfR 在表皮葡萄球菌中的存在,预示过氧化修饰可能不是 AbfR 感应氧化胁迫的有效途径。

该研究进一步确定了单二硫键氧化修饰 AbfR 的生物学功能和分子机制。AbfR 生成二硫键的氧化化学是分步发生的,两个单体的半胱氨酸 Cys13 和 Cys116 之间首先发生分子间单二硫键交联,在强氧化条件下进一步生成双二硫键交联。与还原态 AbfR 相比,单二硫键交联修饰已经足够使 AbfR 结合 DNA 的功能减退,而双二硫键修饰进一步促使 AbfR 从 DNA 上解离。单二硫键交联和双二硫键交联修饰导致 AbfR 功能性失活,解除了对下游抗氧化基因的转录阻遏,从而增强对宿主免疫系统等氧化胁迫的抵抗能力。晶体结构显示,与还原型 AbfR 相比,二硫键修饰的 AbfR 采用了一种“开放式”的构象,不再适合识别并结合 DNA 的大沟和小沟。研究回答了 AbfR 为什么通过二硫键修饰,而不是过氧化修饰来感应氧化胁迫,调控抗性基因表达。

研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等资助,以及上海同步辐射光源的支持。

Structural Insights into the Redox-Sensing Mechanism of MarR-Type Regulator AbfR

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