上海藥物所揭示氧化感應因子AbfR的作用機制

蛋白質翻譯後修飾是生物體實現功能多樣性調控的重要途徑。活性氧（ROS, reactive oxygen species）參與的信號轉導通路主要通過蛋白質活性半胱氨酸的氧化還原化學來實現抗性基因表達的轉錄調控。中國科學院上海藥物研究所楊財廣課題組日前揭示了表皮葡萄球菌轉錄因子AbfR感應ROS氧化，調控抗氧化基因表達的結構基礎和分子機制。該論文於1月13日在線發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

氧化感應因子蛋白質是調控抗氧化基因表達的氧化感測器。半胱氨酸首先被氧化成活潑的次磺酸，接下來可能與小分子量硫化物或者蛋白質中的活性半胱氨酸等形成二硫鍵。二硫鍵修飾後可導致轉錄因子結合DNA區域發生構象變化，影響結合DNA的親和力，實現抗性基因表達的轉錄調控功能，從而提高對氧化壓力的抵抗能力。二硫鍵修飾可在還原性條件下回復到最初的硫醇狀態。此外，次磺酸還可以被特定的氧化劑氧化為不可逆的過氧化修飾，即亞磺酸和磺酸，其功能與分子機制的研究尚不多見。

上海藥物所楊財廣、藍樂夫課題組早期合作研究發現表皮葡萄球菌感應ROS的轉錄調節因子AbfR屬於MarR家族成員（J. Biol. Chem. 2013, 288, 3739-3752），其顯著特點是通過二硫鍵化學改變蛋白質的構象。AbfR通過感測器半胱氨酸Cys13和別構半胱氨酸Cys116間發生分子間的二硫鍵氧化修飾，感知氧化應激，解除對下游抗氧化基因的轉錄阻遏。理論上，AbfR的氧化化學可以形成二硫鍵以及過氧化修飾，楊財廣指導博士研究生劉桂傑和劉幸對此繼續展開深入探索。

該研究首先表徵了過氧化修飾AbfR的功能與機制。質譜學實驗確證，AbfR除了分子間二硫鍵修飾外，感測器半胱氨酸Cys13還發生過氧化修飾，即生成亞磺酸和磺酸。晶體結構顯示過氧化修飾AbfR整體構象與還原態AbfR高度類似，基本保留了結合啟動子DNA的能力，保持對抗氧化基因的轉錄阻遏。雖然AbfR過氧化修飾直接「原位」消耗氧，預期可以作為緩解氧化壓力的一種機制，但是過氧化的AbfR並沒有解除對抗氧化基因的轉錄阻遏。事實上，研究沒有檢測到具有生物學意義濃度的過氧化修飾的AbfR在表皮葡萄球菌中的存在，預示過氧化修飾可能不是AbfR感應氧化脅迫的有效途徑。

該研究進一步確定了單二硫鍵氧化修飾AbfR的生物學功能和分子機制。AbfR生成二硫鍵的氧化化學是分步發生的，兩個單體的半胱氨酸Cys13和Cys116之間首先發生分子間單二硫鍵交聯，在強氧化條件下進一步生成雙二硫鍵交聯。與還原態AbfR相比，單二硫鍵交聯修飾已經足夠使AbfR結合DNA的功能減退，而雙二硫鍵修飾進一步促使AbfR從DNA上解離。單二硫鍵交聯和雙二硫鍵交聯修飾導致AbfR功能性失活，解除了對下游抗氧化基因的轉錄阻遏，從而增強對宿主免疫系統等氧化脅迫的抵抗能力。晶體結構顯示，與還原型AbfR相比，二硫鍵修飾的AbfR採用了一種「開放式」的構象，不再適合識別並結合DNA的大溝和小溝。研究回答了AbfR為什麼通過二硫鍵修飾，而不是過氧化修飾來感應氧化脅迫，調控抗性基因表達。

研究工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃等資助，以及上海同步輻射光源的支持。

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