柴继杰团队在Nature Communications发表最新研究成果

来自信号转导多结构域ATP酶(STAND)家族的蛋白质在先天免疫中起重要作用。然而，人们对它们在转录调控中的作用仍知之甚少。MalT是一种细菌STAND，它控制着大肠杆菌麦芽糖系统。失活的MalT被不同的抑制蛋白如MalY隔离。

2023年8月15日，德国科隆大学/马克斯普朗克植物育种研究所/清华大学/西湖大学柴继杰团队在Nature Communications在线发表题为“Structural basis for negative regulation of the Escherichia coli maltose system”的研究论文，该研究发现MalY与MalT的一个寡聚化界面相互作用形成2:2的配合物。MalY通过阻断其寡聚化和加强ADP介导的MalT自抑制来抑制MalT活性。

MalT核苷酸结合域(NBD)的N端环区在介导MalT自身抑制和激活中具有双重作用。结构比较表明，配体结合诱导的寡聚化是稳定C端结构域和赋予DNA结合活性所必需的。总之，该研究揭示了原核STAND被抑制蛋白抑制的机制，并为STAND转录激活因子的信号传导提供了见解。

为了应对不断变化的环境，生物获得不同的信号机制来响应内部和外部刺激。多结构域信号转导ATP酶(STAND)是一个普遍存在的细胞内信号蛋白家族，在程序性细胞死亡和先天免疫中起关键作用，例如凋亡蛋白和NOD样受体(NLRs)。在存在死亡提示或病原体入侵时，这些蛋白质可以形成多聚体复合物(动物凋亡小体和炎症小体，植物抵抗小体)，从而启动下游信号级联反应。在细菌中，NLR相关蛋白参与对噬菌体的防御。最近的一项研究表明，原核抗病毒蛋白STAND (Avs)在检测到标记病毒蛋白后会四聚体化，导致N端效应域的激活和细胞死亡，这一过程类似于植物中RPP1或ROP1介导的细胞死亡。原核生物STAND还包括转录调控因子，这对于监测营养物质的可用性和促进其有效利用是重要的。

MalT是大肠杆菌麦芽糖系统的转录激活因子，它协调麦芽糖糊精的摄取和代谢。它具有STAND家族蛋白的所有特征，具有三方结构域结构，包括N端核苷酸结合和寡聚化(NOD)模块，超螺旋肽重复(SUPR)型传感器结构域和赋予DNA结合活性的效应结构域。虽然MalT的转录活性是由麦芽三糖(一种由麦芽糖糊精的内化和代谢或细胞内糖原降解产生的糖)诱导的，但已经确定了三种负调节MalT活性的抑制蛋白。

MalK是麦芽糖转运蛋白的ATP结合亚基。在缺乏底物运输的情况下，MalK与MalT相互作用并将其锚定在细胞质膜上，从而阻止其激活。另外两种MalT抑制因子是pyridoxal 5'-phosphate (PLP)依赖性二聚体酶MalY和Aes，一种具有乙酰酯酶活性的酶。两者通过直接相互作用在体外抑制MalT，这可能被诱导剂结合阻碍。迄今为止，MalY和Aes控制MalT的生理作用尚不清楚。

MalT-MalY复合物的重构和冷冻电镜结构（图源自Nature Communications）

已知MalT在两种状态之间循环，一种是单体ADP结合的静止形式，另一种是寡聚ATP结合的活性形式。正如其他NLR蛋白所示，配体(麦芽三糖)与传感器结构域的结合引发构象变化，导致ATP/ADP交换和寡聚化，从而使MalT能够进行转录激活。尽管积累了表征不同MalT突变体的遗传数据和蛋白质结构域或同源模型的结构信息，但对MalT活性调控的结构基础知之甚少。

该研究报告了由MalT和MalY组成的抑制复合物的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，它显示了两个蛋白质之间的异四聚体组装，化学计量为2:2。通过分析导致MalT抑制的不同相互作用界面，该研究发现MalY与MalT的一个寡聚化表面结合，从而通过阻断寡聚化来抑制MalT的活化。此外，结构和生化数据支持环N端到核苷酸结合域(NBD)在MalT自抑制和激活中的双重作用。该研究提出了一个麦芽三糖诱导的MalT DNA结合模型，为原核STAND的转录调控提供了见解。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40447-y