Figure 1 朱永群教授 来源：浙江大学动物科学学院
现任浙江大学求是特聘教授、生命科学研究院资深研究员、动物科学学院副院长。主要研究病原菌与宿主相互作用机制，在Nature、Science、Cell等期刊上发表一系列论文。获得谈家桢生命科学创新奖、中国青年科技奖、国家杰出青年基金、教育部自然科学一等奖、药明康德生命化学奖等荣誉和人才项目。
朱永群教授近十年来聚焦病原微生物与宿主间研究，以几乎每年一篇“顶刊”的成绩，在病原菌与宿主相互作用机制领域做出重大贡献，未来计划在肺部和皮肤感染中病原菌致病和持留机制方向进行探索。
早在2014年，朱教授就曾在Cellular Microbiology发表题为“Diversity of bacterial manipulation of the host ubiquitin pathways”的微综述，简述细菌操纵宿主泛素途径的多样性[1]。
泛素化反应由E1-E2-E3级联催化，并可被DUB逆转。蛋白质泛素化反应能调节宿主细胞中的许多细胞过程。通过效应物调控宿主的泛素通路是细菌操纵宿主信号以促进感染和增殖的有效方法。越来越多的证据表明，细菌效应物通过分子模拟、新结构和新的酶活性等多种机制调节宿主的泛素通路。效应物的不同机制可能会将细菌在各种感染过程中利用宿主泛素化信号最大化。
Figure 2 细菌效应器操纵宿主泛素化信号传导的综述
接着，在2019年朱教授在子刊Nature Microbiology发表题为“A bacterial effector deubiquitinase specifically hydrolyses linear ubiquitin chains to inhibit host inflammatory signalling”的研究论文，以探究细菌效应物去泛素酶特异性水解线性泛素链对宿主炎症信号的影响[2]。
线性泛素（Ub）链调节许多包括NF-κB免疫信号传导的细胞传到过程。病原菌可分泌具有去泛素酶活性的效应蛋白到宿主细胞中，以破坏宿主泛素化信号传导。所有先前报道鉴定的效应物去泛素酶都能水解同肽连接的多泛素（polyUb）。细菌病原体是否已经进化出一种效应物去泛素酶来直接切割线性Ub链，这是一个长期存在的问题。在这项研究中，朱教授团队对细菌病原体进行了广泛的筛查，发现嗜肺军团菌——人类军团病的病原体——编码了一种效应蛋白RavD，它具有对线性Ub链非常特异的去泛素酶活性。RavD水解线性Ub链，但不水解任何类型的异肽连接的聚Ub。RavD与线性二泛素的晶体结构表明，RavD采用木瓜蛋白酶样折叠，具有Cys-His-Ser催化三联体。RavD中的Ub结合表面和特异性相互作用残基决定了其对Met1连接的特异性。RavD可防止线性Ub链在宿主细胞中由病原体建立的含军团菌液泡上的积累，以抑制感染期间NF-κB通路。本研究鉴定了一种独特的线性Ub链特异性效应物去泛素酶，并表明其作为分析哺乳动物细胞中线性多聚Ub介导的信号传导的工具的潜在应用。
Figure 3 具有线性diUb的RavDlc复合结构
今年，朱教授团队再次在子刊Nature Chemical Biology发表题为“Molecular basis of threonine ADP-ribosylation of ubiquitin by bacterial ARTs”的研究论文，深究细菌ARTs介导的泛素苏氨酸ADP核糖基化的分子基础[3]。
泛素化在真核细胞过程中起着至关重要的作用。紫色杆菌的效应蛋白CteC能通过T66残基泛素（Ub）的单ADP核糖基化阻断宿主泛素化。然而，这种反应的结构基础尚不清楚。在该研究中，朱教授团队报告了与Ub、NAD+或ADP核糖基化Ub配合物中CteC的三种晶体结构，它们代表了CteC在修饰中的不同催化状态。CteC采用特殊的“D-E”催化基序进行催化，并以半配体结合模式结合NAD+。CteC对Ub的特异性识别是由一个相对独立的Ub靶向结构域和一个长环L6决定的，而不是经典的ADP核糖基化转弯环。生化反应结果的结构分析表明，CteC代表了聚ADP核糖聚合酶（PARP）样ADP核糖基转移酶的一个大家族，该家族具有R-S-E和H-Y-E类ADP核糖基转化酶的嵌合特征。CteC样ADP核糖基转移酶家族具有共同的“D-E”催化共识，广泛存在于细菌和真核微生物中。
Figure 4 CteC的催化机理
在2017年，朱教授在美国科学院院刊PNAS上发表题为“Structural insights into the roles of the IcmS–IcmW complex in the type IVb secretion system ofLegionella pneumophila”的研究论文，探究IcmS-IcmW复合物在嗜肺军团菌IVb型分泌系统中的结构作用[4]。
嗜肺军团菌IVb型分泌系统（T4BSS）是一个多组分装置，可将近300种毒性效应蛋白递送到宿主细胞中。注射的效应器调节宿主细胞过程，促进细菌感染和增殖。IcmS和IcmW是两个保守的小的酸性衔接蛋白，它们形成一个二元复合体，与许多效应物相互作用并促进它们的易位。在这项研究中，朱教授团队发现IcmS和IcmW形成1:1的异二聚体复合物来结合效应底物。
IcmS具有紧凑的α/β折叠结构，而IcmW具有完全α折叠的相对松散的结构。IcmS通过结合IcmW的两个c端α-螺旋来稳定IcmW。实验数据表明，IcmS-IcmW是细菌内膜中DotL-T4CP复合体不可分割的组成部分。这项研究为IcmS-IcmW复合物在T2BSS中的双重作用提供了分子视角。
Figure 5 IcmS-IcmW与DotLc配合物的结构
有趣的是，在细菌注射器的灵感激发下，朱教授团队开发了一个可编程蛋白质输送工具，成果发表于Science Bulletin杂志[5]。
Figure 6 聚氯乙烯的结构示意图及其蛋白质传递的重编程
在今年Nature杂志上重磅发表了朱教授团队题为“Legionella effector LnaB is a phosphoryl AMPylase that impairs phosphosignalling”的最新研究论文，认为军团菌效应物LnaB是一种磷酸氨酰酶，可损害磷酸化信号传导[6]。
以ATP为配体，肌动蛋白为宿主激活剂，嗜肺军团菌的效应蛋白LnaB对PRR42-Ub上的磷酸核糖磷酸基团表现出AMPylase活性，该磷酸核糖磷酸基由SidE家族效应子和去泛素酶DupA/B在E1/E2非依赖性泛素化过程中产生。LnaB的产物被ADP核糖水解酶MavL进一步水解为Ub，从而防止PRR42-Ub和ADPRR42-Ub的积累，并保护宿主细胞中的典型泛素化。此外，LnaB还对磷酸化残基表现出强大的磷酸化AMPylase活性，并在蛋白质中产生独特的ADP酰化修饰。在宿主感染期间，LnaB腺苷化Src家族激酶激活环中保守的磷酸化酪氨酸残基，从而抑制宿主下游的磷酸化信号传导。结构研究揭示了LnaB家族AMPylases的肌动蛋白依赖性激活和催化机制。本研究揭示了细菌发病机制和蛋白质磷酸化中前所未有的调控和分子机制。
Figure 7 LnaB腺苷酶活性的诱变和质谱分析
2021年，朱教授在Cell杂志发表题为“Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor”的研究论文[7]。细菌鞭毛马达是一种超分子蛋白机器，它驱动鞭毛的旋转运动，这对于不同环境中的细菌生存和致病性的关键决定因素至关重要。因此，在该研究中在朱教授团队提出了一种与钩子复杂的细菌鞭毛马达的原子分辨率冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，由175个亚基组成，分子质量约为6.3 MDa。结构表明，从MS环中突出的10个多肽与FlgB和FliE亚基介导从MS环到棒的扭矩传输，克服了电机中旋转和螺旋结构之间的对称性不匹配。LP环接触远端杆，施加静电力来支持其旋转和扭矩传输到钩子。这项工作为鞭毛电机的结构、组装和扭矩传递机制提供了详细的分子见解。
Figure 8 鞭毛电机钩复合体的整体结构
在此基础上，朱教授乘胜追击，今年又成功在Cell Research杂志发表题为“Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching”的研究论文[8]。细菌鞭毛马达是一个巨大的双向旋转纳米机器，驱动鞭毛的旋转，用于细菌的运动。鞭毛马达的细胞质C环作为旋转方向从逆时针切换到顺时针的转换复合体。在该研究中展示了沙门氏菌含C环鞭毛基体-钩复合体的两个高分辨率低温电子显微镜结构，它们分别处于默认的逆时针状态和组成活性CheY突变体诱导的顺时针状态。在这两个复合物中，C环由四个子环组成，但在两种不同的构象中。CheY蛋白在C环中间亚环表面与两个相邻原聚体之间的开槽结合，并与FliG和FliM亚基相互作用。CheY蛋白的结合导致C环向MS环显著向上移动，原聚体向电机中心向内移动，最终重塑FliG亚基的结构，逆转α转矩螺旋的方向和表面静电势，触发逆时针旋转切换。FliG亚基的构象变化表明，电机上的定子单元在旋转切换过程中需要在内膜中进行重新定位过程。本研究为细菌鞭毛电机的旋转开关机制和详细的整体结构视图提供了前所未有的分子见解。
Figure 9 CCW 和 CW 状态下含 C 环的基底体-钩复合体的整体结构
综上所述，朱教授团队近十年来在病原微生物（以嗜肺军团菌为代表）与宿主间反应（如泛素化、磷酸化）取得了显著成果，并在今年荣获第六届医学科学领域“科学探索奖”。
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参考文献
[1]Zhou Y, Zhu Y. Diversity of bacterial manipulation of the host ubiquitin pathways. Cell Microbiol. 2015;17(1):26-34. doi:10.1111/cmi.12384
[2]Wan M, Wang X, Huang C, et al. A bacterial effector deubiquitinase specifically hydrolyses linear ubiquitin chains to inhibit host inflammatory signalling. Nat Microbiol. 2019;4(8):1282-1293. doi:10.1038/s41564-019-0454-1
[3]Tan J, Xu Y, Wang X, et al. Molecular basis of threonine ADP-ribosylation of ubiquitin by bacterial ARTs. Nat Chem Biol. 2024;20(4):463-472. doi:10.1038/s41589-023-01475-3
[4]Xu J, Xu D, Wan M, et al. Structural insights into the roles of the IcmS-IcmW complex in the type IVb secretion system of Legionella pneumophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(51):13543-13548. doi:10.1073/pnas.1706883115
[5]Wang C, Zhu Y. A programmable protein delivery tool derived from bacterial syringe. Sci Bull (Beijing). 2023;68(19):2125-2127. doi:10.1016/j.scib.2023.08.026
[6]Wang T, Song X, Tan J, et al. Legionella effector LnaB is a phosphoryl-AMPylase that impairs phosphosignalling [published correction appears in Nature. 2024 Aug;632(8025):E4. doi: 10.1038/s41586-024-07847-6]. Nature. 2024;631(8020):393-401. doi:10.1038/s41586-024-07573-z
[7]Tan J, Zhang X, Wang X, et al. Structural basis of assembly and torque transmission of the bacterial flagellar motor. Cell. 2021;184(10):2665-2679.e19. doi:10.1016/j.cell.2021.03.057
[8]Tan J, Zhang L, Zhou X, Han S, Zhou Y, Zhu Y. Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching. Cell Res. Published online August 23, 2024. doi:10.1038/s41422-024-01017-z
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