線性泛素化在調(diào)控IFN抗病毒信號(hào)的新機(jī)制的應(yīng)用

近年來(lái)，蛋白質(zhì)泛素化成為基因表達(dá)調(diào)控研究的熱點(diǎn)，泛素化在各類細(xì)胞信號(hào)通路中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。泛素分子通常含有7種內(nèi)部賴氨酸殘基，通過(guò)這些殘基可與其他泛素分子的甘氨酸C端相連產(chǎn)生分支，形成多聚泛素化修飾。

近年來(lái)又鑒定了一種新的多聚泛素鏈——線性泛素鏈，由兩個(gè)泛素N、C端首尾相接而成。已有研究鑒定線性泛素化是由線性泛素化復(fù)合體(LUBAC)作為泛素連接酶特異性誘導(dǎo)，該復(fù)合體由血紅素氧化IRP2泛素連接酶(HOIL-1L)、HOIL-1L互作蛋白(RNF31/HOIP)和SHANK相關(guān)域互作蛋白(SHARPIN)組成，同時(shí)去泛素化由線性連接特異的OTU去泛素化酶(OTULIN)介導(dǎo)。LUBAC/OTULIN廣泛參與NF-kB、IFN、NLRP3、TRIM25等天然免疫相關(guān)蛋白的調(diào)控，但是具體的機(jī)制還未知。

線性泛素化修飾的生物學(xué)功能研究主要集中在NF-κB介導(dǎo)的免疫反應(yīng)和細(xì)胞死亡等相關(guān)通路中，已經(jīng)鑒定的線性泛素化修飾的底物僅有NEMO、 IRF3、ASC和TRIM25幾個(gè)。近期，蘇州大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院鄭慧教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“Regulation of the linear ubiquitination of STAT1 controls antiviral interferon signaling” 的研究論文，鑒定了線性泛素化修飾的一個(gè)新的底物，并首次揭示了蛋白線性泛素化修飾對(duì)干擾素(IFN)抗病毒信號(hào)的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制。

鄭慧教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近幾年的深入研究，發(fā)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子1(STAT1)在靜息細(xì)胞中存在強(qiáng)烈的線性泛素化修飾，并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了STAT1是一個(gè)新的線性泛素化修飾的蛋白底物。

研究人員在細(xì)胞中觀察到內(nèi)源性STAT1具有依賴于HOIP的強(qiáng)泛素化修飾，敲低HOIP將導(dǎo)致顯著抑制內(nèi)源和外源STAT1的線性泛素化。敲除細(xì)胞HOIP敲除細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)STAT1完全無(wú)法線性泛素化。

接著，研究人員試圖探究線性泛素化的生物學(xué)意義，實(shí)驗(yàn)表明線性泛素化對(duì)STAT1介導(dǎo)的天然免疫起到限制作用,線性泛素化起到維持IFN信號(hào)穩(wěn)態(tài)的作用。

研究人員進(jìn)而分析STAT1對(duì)IFN下游信號(hào)的具體調(diào)控機(jī)制，鑒定出了STAT1的7個(gè)賴氨酸泛素化位點(diǎn)，通過(guò)氨基酸突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)Lys511、Lys652為線性泛素化位點(diǎn)，能夠抑制IFN抗病毒應(yīng)答。

研究人員發(fā)現(xiàn)LUBAC可以在STAT1磷酸化之前誘導(dǎo)STAT1線性泛素化。利用敲低、過(guò)表達(dá)、突變實(shí)驗(yàn)直接證明了STAT1線性泛素化可以直接抑制JAK1誘導(dǎo)的STAT1激活，還證明了STAT1在Lys511和Lys652上的線性泛素化阻斷了其與IFNAR2的相互作用。為了探究IFN如何激活STAT1，IFN誘導(dǎo)磷酸化的STAT1沒(méi)有線性泛素化，因此研究人員推測(cè)IFN誘導(dǎo)能夠除去STAT1線性泛素化。根據(jù)這種推測(cè)，IFNα和IFNβ處理均以時(shí)間依賴性方式誘導(dǎo)STAT1快速去線性泛素化。此外，OTULIN對(duì)IFN-I信號(hào)傳導(dǎo)中STAT1線性泛素化的可能影響。過(guò)表達(dá)或敲除OTULIN顯著影響了線性泛素化，外加IFN可增強(qiáng)OUTLIN與STAT1的結(jié)合，說(shuō)明IFN激活STAT1由OTULIN介導(dǎo)。基于之前的結(jié)論，過(guò)表達(dá)或敲除實(shí)驗(yàn)也證明OTULIN增強(qiáng)STAT1與IFNAR2結(jié)合。

研究人員還探究了該機(jī)制在抗病毒中的作用。利用仙臺(tái)病毒(SeV)、水皰性口炎病毒(VSV)侵染細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在感染較長(zhǎng)時(shí)間后病毒誘導(dǎo)HOIP表達(dá)升高，并促進(jìn)HOIP與STAT1結(jié)合，促進(jìn)線性泛素化，負(fù)調(diào)節(jié)IFN信號(hào)通路。說(shuō)明線性泛素化與磷酸化共同參與抗病毒應(yīng)答。

研究人員進(jìn)一步探討了線性泛素化對(duì)宿主IFN-1信號(hào)傳導(dǎo)和體內(nèi)抗病毒活性的影響。HOIP或HOIL-1L的完全敲除具有致死性，因此，HOIL-1L雜合(Rbck1 +/-，賽業(yè)生物構(gòu)建)小鼠已被廣泛用作有效的線性泛素化缺陷模型。研究人員發(fā)現(xiàn)HOIL-1L雜合小鼠具有更強(qiáng)的IFN應(yīng)答，STAT1高度活化，病毒顯著減少。嵌合小鼠模型表明突變泛素化位點(diǎn)增強(qiáng)抗病毒反應(yīng)。因此線性泛素化對(duì)調(diào)節(jié)天然免疫與抗病反應(yīng)發(fā)揮重要作用。

在該研究中，鄭慧教授團(tuán)隊(duì)鑒定了STAT1作為蛋白質(zhì)線性泛素化修飾的一個(gè)新的底物，揭示了線性泛素化修飾的另一個(gè)調(diào)控機(jī)制：線性泛素化修飾抑制轉(zhuǎn)錄因子與其上游信號(hào)的相互作用。該研究表明，STAT1線性泛素化修飾阻止了轉(zhuǎn)錄因子STAT1與IFN受體IFNAR2的結(jié)合，從而抑制了STAT1的磷酸化和活化，維持了細(xì)胞內(nèi)IFN信號(hào)的穩(wěn)態(tài)。這種對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的內(nèi)在負(fù)調(diào)控不同于NF-κB的抑制——轉(zhuǎn)錄因子NF-κB在細(xì)胞中存在一個(gè)內(nèi)在負(fù)調(diào)控因子IκB蛋白，而STAT1并未發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)內(nèi)在負(fù)調(diào)控蛋白，為經(jīng)典的干擾素途徑提供了更加完整的框架，而且靶向LUBAC可能提高基于干擾素的抗病毒治療效果。

原文檢索：

Regulation of the linear ubiquitination of STAT1 controls antiviral interferon signaling

DOI: 10.1038/s41467-020-14948-z