继Nature文章后 青年科学家再发高水平文章

　　

生物通报道：来自北京生命科学研究所的柴继杰博士早年毕业于大连轻工业学院，其实验室主要关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子的结构与功能，主要通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物大分子在结构和功能上的联系。

在2007年柴继杰实验室报道了第一个细菌效应蛋白和植物中对应的抗性蛋白的复合物AvrPto-Pto的晶体结构，基于该结构和相关实验结果，提出了AvrPto通过解除Pto对防御响应的抑制引发疾病抗性的机制。这一研究成果公布在《Nature》杂志上。近期柴继杰实验室又接连发表了多篇文章。

Crystal structure of the complex between Pseudomonas effector AvrPtoB and the Pto tomato kinase reveals both a shared and a unique interface compared with AvrPto-Pto

发表于《Plant Cell》杂志上，该文章首次报道了细菌效应蛋白AvrPtoB和植物中对应的抗性蛋白Pto复合物AvrPtoB-Pto的晶体结构，揭示了同一个植物抗性蛋白（Pto）如何识别两个完全不同的细菌效应蛋白（AvrPto 和AvrPtoB）的分子机制。

植物的抗性蛋白精确识别病原菌中的效应蛋白,对引发植物防御响应非常重要。植物的抗性蛋白Pto能够识别两个序列完全不同源的效应蛋白AvrPto和AvrPtoB，并通过NB-LRR蛋白Prf激活下游免疫反应。文章解析了AvrPtoB的Pto-binding domain（AvrPtoB 121-205）的晶体结构（1.9埃），以及AvrPtoB121-205-Pto复合物的结构（3.3埃）。该复合物的晶体结构揭示了AvrPtoB与Pto相互作用通过两个界面调节，其中一个界面与AvrPto-Pto复合物的结合面完全不同。实验表明，替换了位于这个界面上氨基酸的Pto，不需要效应蛋白AvrPto或AvrPtoB ，就能引发Prf介导的免疫反应。该结果进一步证实了效应蛋白通过解除Pto对植物抗病的抑制作用从而引起宿主免疫反应。同时，文章从结构的角度揭示了同一个植物抗性蛋白（Pto）如何识别不同细菌效应蛋白的分子机制。

该文章的共同第一作者董靖是北京生命科学研究所和中国科学院生物物理研究所联合培养的博士生，共同第一作者樊粉霞是北京生命科学研究所和北京师范大学联合招生的博士生，论文其他的作者还有论文的其他作者还有：共同第一作者Fangming Xiao，谷立川博士，仓怀兴博士 。北京生命科学研究所的柴继杰博士和康奈尔大学的Gregory B. Martin为本文共同通讯作者。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，结构与生化部分工作在北京生命科学研究所完成。

 

Structural Basis for Activation and Inhibition of the Secreted Chlamydia Protease CPAF

发表于Cell Host & Microbe杂志，报道了CPAF在酶原状态、成熟状态、以及其和蛋白酶体抑制剂lactacystin复合物三种状态下的晶体结构。

衣原体是普遍存在细胞内的病原体，而且许多种属能导致人类广泛感染致病。这些病症包括全球超过9千万人由于眼上皮细胞感染衣原体导致的可预防的失明，以及泌尿系统上皮细胞感染引起的性病。尽管衣原体引起如此严重的健康问题，但人们其病原发生机理却不清楚。目前已知衣原体为了在感染宿主内生存，进化出多种策略来逃避宿主免疫识别以及免疫反应，其中包括通过抑制Major Histocompatibility Complex (MHC)抗原表达以及抑制受感染细胞凋亡来逃避宿主免疫识别以及反应，而衣原体毒性蛋白CPAF (Chlamydial Protease/Proteasome-like Activity Factor)被证明在感染细胞内降解包括MHC转录因子RFX5、上游刺激因子1（USF-1）、广谱的BH3-only前凋亡蛋白Puma等宿主蛋白，以抑制宿主免疫识别以及免疫反应。衣原体蛋白酶（体）样活性因子CPAF是一类序列功能都很保守的分子，它在所有种的衣原体感染宿主后都有表达，并显示出相似的蛋白酶活性。CPAF通过降解上面提及的多种宿主蛋白从而使得衣原体能够逃避宿主免疫识别，并且能够在受感染宿主细胞中顺利生存繁殖。

在这项研究中，报道了CPAF在酶原状态、成熟状态、以及其和蛋白酶体抑制剂lactacystin复合物三种状态下的晶体结构。结构比较和生化实验表明CPAF是一个由水分子介导的催化三元体组成的新型丝氨酸蛋白酶。CPAF酶原结构显示其活性位点被inhibitory segment的C端部分包围，同时其N端的存在使得CPAF维持在单体状态，CPAF通过在蛋白分子内部逐步的蛋白酶剪切，从而移除那些结合在活性中心以及维持CPAF单体状态的inhibitory segment而被激活，同时剪切后形成的分子间二聚体引发的水分子介导的催化三元体的组装使得CPAF完全激活，并具有蛋白酶活性。尽管CPAF和蛋白酶体结构上并不相关，但它们识别Lactacystin的方式却相当保守。这说明CPAF模仿蛋白酶体对Lactacystin的结合方式。这些结果不仅揭示了Lactacystin抑制CPAF活性的分子机理，而且第一次给出了Lactacystin除了抑制蛋白酶体外还能抑制其他蛋白酶的证据。这些实验结果阐明了CPAF蛋白酶的活化、催化以及Lactacystin抑制的机理，同时为以后理性设计小分子药物治疗衣原体引起的许多疾病提供结构基础。

附：

柴继杰 博士，研究员
E-mail：[e-mail]

教育经历：

1987年 大连轻工业学院化学工程系学士

1997年 中国协和医科大学药物分析学博士


工作经历

2004 中国北京生命科学研究所工作

1999 美国普林斯顿大学分子生物学系做博士后

1997-1999 中国科学院生物物理研究所做博士后


研究概述：

本实验室关注并研究在生物学及药学应用中的重要大分子的结构与功能。主要通过蛋白晶体衍射的方法及一些生物、生化方面的手段阐述这些生物大分子在结构和功能上的联系。我们并不局限于已建立的研究框架，拟与北京生命科学研究所的其他研究小组合作，在今后的工作中开展一些联合研究项目。

一个正进行的研究方向将关注专职吞噬细胞（professional phagocytes）对调亡细胞的识别途径。近十年来大量的工作已对调亡调控的机制做了详尽的研究。相对的，在细胞调亡后如何去除调亡的细胞残体的问题并没得到关注。（此问题并不是不重要）如果在此环节出现问题将造成炎症反应的异常持续和自身免疫的出现。在吞噬细胞消除调亡的细胞体的过程中，第一步反应是调亡的细胞体和处于调亡过程中的细胞表面出现如磷脂酰丝氨酸（PS）等可被各种吞噬细胞上的受体识别的发出“eat-me”信号的信号分子。近年来的研究发现这一识别过程并不仅仅是此类信号分子与吞噬细胞受体的简单结合。实际上，一类可被其他吞噬细胞的受体识别的桥联分子（bridging molecule）如Annexin I（Anx I）也参与了识别过程。除此，我们还将对“don’t-eat-me”信号的识别机制及溶血磷脂酰胆碱（LPC）等“find-me”信号的产生和调控机制进行研究。前者存于正常细胞，保证这些非调亡的细胞不被错误吞噬；后者为调亡细胞所产生。

是本实验室的另一个研究目标是吞噬细胞识别和吞噬调亡细胞的信号调控的分子机制。前人在线虫（C. elegans）的遗传学筛选工作中发现七个基因产物分别隶属于两条功能上冗余的信号转导系统参与了清除调亡细胞体过程。其中一条信号系统为CED-2/ced-5/CED-12/CED10，这条信号系统保守的存于哺乳类中，其同源信号系统为CrkII/Dock180/ELMO/RAC，我门将从蛋白三维结构的尺度研究这条信号系统的活化和调控机制。