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感受周围环境变化并适时调整胞内生命活动来适应环境是细菌能在多变环境下生存的关键。蛋白翻译后修饰（Post Tanscriptional Modification, PTMs）可作为一种迅速、有效的信号传导方式参与调控细菌代谢、复制、毒力等多种生命过程。目前细菌内翻译后修饰的研究主要集中在磷酸化、乙酰化等常见修饰。随着质谱技术的发展，陆续有新型翻译后修饰类型被鉴定出来，而这些新型修饰在细菌的生命活动调控中的作用还不完全清楚。
2020年9月22日，山东第一医科大学基础医学院（基础医学研究所）李冰清团队在Cell子刊Cell Reports发表了题为“The YdiU Domain Modulates Bacterial Stress Signaling through Mn2+-dependent UMPylation”的研究，报道了保守蛋白YdiU催化的一种新型蛋白翻译后修饰——单磷酸尿苷酸化修饰（UMPylation，UMP化）。解析YdiU多种状态的晶体结构，阐明了YdIU催化蛋白UMP化修饰的分子机制。研究发现当细胞内ATP含量不足时，YdiU通过催化DnaK等分子伴侣蛋白的UMP化修饰，关闭分子伴侣功能及ATP消耗，阻止压力下细菌因能量耗竭造成的死亡。
YdiU/SelO/UPF0061蛋白家族是广泛存在于真核及原核生物中的保守蛋白家族，被预测为无活性的假激酶。其真正生理功能一直未知，多次被评为Top10“最具研究价值的未知功能蛋白家族” 【1】 。2018年，Sreelatha等人解析丁香假单胞菌的SelO蛋白晶体结构 【2】 。根据结构中ATP的构象与常规激酶中ATP构象的反向定位方式，提出SelO可能是催化蛋白单磷酸腺苷酸化（AMPylation, AMP化） 的假说，并证实SelO蛋白具有催化AMP化修饰的活性。本文作者在研究沙门菌YdiU蛋白功能时发现，只有压力应激环境下沙门菌才启动YdiU蛋白的表达。YdiU敲除菌在热处理或酸处理后的生存率比野生菌显著降低。利用蛋白质谱法，作者对YdiU表达后沙门菌内蛋白修饰情况进行深度分析，意外发现，YdiU表达后，沙门菌内46个蛋白发生了一种新颖的蛋白修饰--UMPylation（UMP化），而并没有发现AMP化修饰的蛋白，证明细菌YdiU主要通过催化蛋白UMP化修饰实现功能。
图1 YdiU催化蛋白UMP化修饰示意图
通过修饰肽段的富集分析，发现UMP化修饰发生在蛋白的酪氨酸和组氨酸上，修饰周围存在大量疏水氨基酸及负电氨基酸。在进行体外UMP化修饰验证时，作者发现Mn2+是YdiU催化UMP化修饰的关键辅因子。生化数据表明Mn2+可将YdiU与UTP的结合力提高近300倍。而Mn2+对于YdiU与ATP的结合力没有显著作用。作者解析了Apo-YdiU及YdiU-ATP-Mn2+的晶体结构，并分子动力学模拟出的YdiU-UTP-Mn2+结构模型，揭示第246位天冬氨酸在UMP化修饰、锰离子结合及UTP选择中的核心作用。作者使用放射性同位素及生物素标记的实验方法，证实YdiU在体外可催化DnaK、GroEL等四种主要的分子伴侣发生UMP化修饰，更有意思的是发现，UMP化修饰可以抑制分子伴侣与下游底物或者co-factor的相互作用，进而关闭分子伴侣功能。作者还研究了YdiU自身AMP化对其UMP化活性的调节作用，发现AMP化发生在C末端的保守的丝氨酸上，YdiU自身AMP化后完全丧失了催化UMP化的活力，证明YdiU介导的UMP化受到ATP浓度的适时调控。
为了进一步研究UMP化修饰如何调控分子伴侣的功能，作者分析了分子伴侣的UMP化修饰发生的具体氨基酸位点，发现修饰均发生在分子伴侣与底物或辅因子结合的结合面上。进一步实验结果证实，UMP化修饰抑制了DnaK与GrpE的结合，同时UMP化修饰还阻碍了GroEL与底物的结合，说明UMP化修饰作为一种负调控手段关闭分子伴侣的功能。
当细菌遭遇压力环境时，分子伴侣作以修复者的身份帮助损伤的蛋白重新折叠，这个过程是消耗ATP来实现的。作者研究发现，压力下YdiU在细胞被ATP不足时，利用另一种常见的核苷酸UTP作为原料，修饰分子伴侣来关闭其功能。功能实验表明YdiU可有效防止压力调节下细菌因ATP耗竭导致的死亡。
图2. 能量状态调节YdiU的UMP化修饰活性，进而动态调控分子伴侣功能
本文的创新点：
1. 首次发现UMP化修饰参与细菌多种蛋白的功能调控；
2. 首次鉴定出位于组氨酸上的UMP化修饰；
3. 发现锰离子在YdiU催化UMP化修饰过程的重要作用；
4. 通过结构分析确定YdiU蛋白UTP偏好性的分子机制；
5. 发现UMP化修饰负调控分子伴侣的功能及在细菌压力应激时的作用；
6. 发现YdiU感知ATP浓度通过自身AMP化修饰动态调节UMP化修饰活性。
后续研究展望：
1. YdiU蛋白家族在真核生物中发挥怎样的功能?
2. UMP化修饰还调控哪些生命活动？
3. 去UMP化修饰酶是谁？
4. UMP化修饰有没有“Reader”?
山东第一医科大学李冰清团队主要从事病原菌生存与致病机制的研究工作。近年来，团队主要以沙门菌为模式，对病原菌在宿主内生存适应机制进行深入研究。2017年曾解答沙门菌在宿主细胞内关闭鞭毛生长实现免疫逃逸机制 （2017 Nucleic Acids Research，45，9976-9989） 。本文是该团队在细菌生存机制方向又一重要研究进展。山东第一医科大学2017级硕士研究生杨银龙、山东第一医科大学岳盈盈副研究员、宋楠楠博士、李翠玲博士为论文的共同第一作者，李冰清博士是本文的独立通讯作者，山东第一医科大学为唯一通讯单位。
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108161
参考文献
1. Galperin, M.Y., and Koonin, E.V. (2004). 'Conserved hypothetical' proteins: prioritization of targets for experimental study.Nucleic acids research32, 5452-5463.
2. Sreelatha, A., Yee, S.S., Lopez, V.A., Park, B.C., Kinch, L.N., Pilch, S., Servage, K.A., Zhang, J., Jiou, J., Karasiewicz-Urbanska, M., et al. (2018). Protein AMPylation by an Evolutionarily Conserved Pseudokinase.Cell175, 809-821 e819.
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