中国科学院生物物理研究所，纽约大学的研究人员发表了题为“Structural Insights into Non-canonical Ubiquitination Catalyzed by SidE”的文章，解析了来源于高致病性嗜肺军团菌（Legionella pneumophila）的新型泛素化酶SidE与ubiquitin和配体的多个复合物的高分辨率晶体结构，并结合大量的生化实验和突变体分析，揭示了SidE同ubiquitin及其配体的新颖互作方式和催化机制。

这一研究成果公布在5月3日的Cell杂志上，文章的通讯作者是生物物理研究所高璞研究员，第一作者为王勇。

泛素化修饰调控着真核细胞几乎所有的生命活动。在与宿主的长期博弈过程中，病原菌进化出了多种方式来干预宿主的泛素修饰系统，从而达到增强侵染效率和逃避免疫监视的目的。

以往报道的泛素化修饰（不论是宿主自身的，或是病原参与的），均是通过经典的E1-E2-E3三酶级联反应进行催化。而近期鉴定的来源于嗜肺军团菌的SidE家族却可以对多种宿主蛋白进行非典型的泛素化修饰。

该家族有四个成员：SidE、SdeA、SdeB及SdeC，其结构域从N端到C端分别为DUB结构域、pDE结构域、mART结构域及coil-coil结构域。在经典的泛素修饰系统中，通过E1-E2-E3的级联反应，在ATp及Mg离子存在下，将ubiquitin的C末端共价连接到底物蛋白的赖氨酸上。

而SidE家族蛋白参与的催化过程则完全不同：首先，mART结构域将NAD分子的ADp-ribose基团连接到ubiquitin第42位的精氨酸上，生成ADp-ribosylated ubiquitin（ADpr-Ub）；然后，pDE结构域进一步切割ADpr-Ub中的磷酸二酯键，生成phospho-ribosylated ubiquitin（pr-Ub），并同时将pr-Ub共价连接到底物的丝氨酸上。然而，mART结构域结合及修饰ubiquitin，以及pDE结构域结合及水解ADpr-Ub的具体分子机制仍然不清楚。

在这项工作中，研究人员通过大量的尝试，成功获得了SidE在其两步催化反应中，与ubiquitin及其配体的高分辨率晶体结构。SidE的apo结构表明，mART结构域和pDE结构域的催化口袋互相远离并朝向不同的方向，提示这两个结构域的催化过程是相互独立的；同时这两个结构域又通过一段保守的基序紧密结合，当丧失这种相互作用时，两个结构域的活性都受到了影响。mART结构域与ubiquitin及辅因子NAD的复合物结构显示，mART结构域利用其表面的一个高度保守区域参与结合ubiquitin，而这个互作界面非常靠近mART的催化中心；ubiquitin的C末端tail则贡献了其主要的结合位点，尤其是第72位及74位的精氨酸紧密结合到mART结构域的酸性氨基酸形成的口袋里；NAD则结合于mART结构域经典的R-S-E motif上，其烟酰胺基团则朝向ubiquitin的42位精氨酸方向，等待着催化形成ADpr-Ub。pDE结构域与ubiquitin及ADp-ribose的复合物结构表明，ubiquitin结合于pDE结构域催化口袋的一侧，其Lys6-Thr9这段区域及His68贡献了主要的结合位点，Arg42朝向pDE结构域的活性中心；pDE结构域在结合了ubiquitin后会产生局部的构象变化，以利于催化的进行。

以上所有参与结合及催化的关键氨基酸，研究人员均利用突变体实验进行了酶活验证。此外，研究人员还发现SidE家族蛋白对底物的识别不依赖于底物蛋白的特定三维结构，只要底物蛋白上含有能够进入SidE催化口袋的丝氨酸，那么均可被泛素化修饰。这些结果不仅较为完整地阐明了SidE家族蛋白新颖的泛素修饰机制，还为开发基于此新型泛素修饰系统的生物学工具提供了基础。

原文标题：

Structural Insights into Non-canonical Ubiquitination Catalyzed by SidE