合作单位：ShandongFirst Medical University & Shandong Academy of Medical Sciences
魔德科技：采用分子模拟方法研究YdiU蛋白与UTP/ATP的分子识别
参考文献：Cell Report. 2020, 32（12）, 108161. DOI: 10.1016/j.celrep.2020.108161(IF = 12.60）
- 背景
沙门氏菌对周围环境的变化具有比较明显的感受，为了适应这种变化，细菌会调整胞内的生命活动。蛋白的翻译后修饰（PTMs）是一种可以迅速传导胞内信号的方式，参与了细菌体内多种生命活动过程，其中磷酸化和乙酰化是常见的PTMs类型。随着实验技术的不断发展，有一些其他的PTMs类型被鉴定出来，但是对于新型的PTMs类型，其在细菌生命活动中的产生方式和功能尚不清楚。
本研究报道了一种YdiU蛋白催化的新型PTMs类型——单磷酸尿苷酸化修饰（UMPylation）。通过解析晶体结构发现UMPylation主要发生在蛋白的酪氨酸和组氨酸上。另外研究表明，当体内的ATP不足时，YdiU蛋白可以利用另一种核苷酸UTP来实现对蛋白的UMPylation修饰，并且在Mn2+离子存在下，可以显著提高YdiU蛋白与UTP的亲和力，而对于ATP却没有明显的作用。由于目前实验条件的限制，可以获得YdiU-ATP的晶体结构（PDB ID: 6LNA），但很难获得YdiU-UTP的晶体结构。
- 方案设计
鉴于目前实验条件很难获得YdiU-UTP的晶体结构，为了深入研究YdiU利用UTP进行UMPylation修饰的作用机制，经与四川魔德科技（www.modekeji.cn）技术团队深入沟通，拟基于YdiU-ATP的晶体结构，采用分子模拟方法获得YdiU与UTP的复合物结构，并研究Mn离子对ATP和UTP与YdiU蛋白亲和力的影响。
- 主要结果
1、偶然发现: UMP而非AMP
YdiU蛋白家族是广泛存在与细菌中的保守蛋白家族，被预测为无活性的“假激酶”，是最具研究价值的未知功能蛋白家族之一。在本文之前，一直认为该类蛋白家族可能具有催化蛋白单磷酸腺苷酸化（AMPylation）修饰的活性。但本文在研究YdiU蛋白的功能时，发现只有在压力应激条件下，沙门氏菌才启动YdiU蛋白的表达，深入分析之后，发现YdiU蛋白表达之后，沙门氏菌体内46个蛋白中均发现了一种新型的蛋白结构修饰——UMPylation，却并没有发现AMPylation修饰的蛋白。
图1 YdiU蛋白在ATP缺乏时进行UMP修饰的示意图
2、YdiU-UTP催化UMPylation修饰的机制研究
进一步研究发现，UMPylation修饰主要发生在蛋白的酪氨酸和组氨酸上，周围还存在大量的疏水氨基酸和负电荷氨基酸。另外还发现Mn2+离子在UMPylation修饰过程中具有非常重要的作用。亲和力数据表明Mn2+可以显著提高YdiU与UTP的亲和力，而对ATP的亲和力却没有显著作用。但实验手段难以解析获得YdiU-UTP-Mn2+的晶体结构。因此本研究采用分子动力学模拟方法构建并优化了YdiU-UTP-Mn2+的模型。
分子动力学模拟结果表明，UTP与YdiU的结合明显更强，主要体现在Mn2+离子与周围氨基酸残基的配位作用。如下图所示，在YdiU-ATP-Mn2+体系中，Mn1离子只与周围3个氧原子配位，Mn2与周围4个氧原子配位，而在YdiU-UTP-Mn2+体系中，2个Mn离子均与周围的氧原子形成了5个配位。另外，通过对比ATP和UTP与YdiU-Mn2+的结合模式，可以发现D246在与Mn的配位出现了比较明显的变化，在UTP体系中，D246更容易与Mn2+离子配位。通过计算结合自由能也可以发现，ATP和UTP与YdiU的结合自由能分别为-25.93kcal/mol和-28.61 kcal/mol。
综上所述，通过分子模拟研究，可以发现，ATP和UTP与YdiU-Mn2+的结合模式有一定程度的差异，主要体现在Mn离子的配位和D246的构象变化，这可能是YdiU蛋白与UTP亲和力更强的主要原因之一。
图2ATP/UTP与YdiU-Mn2+的结合模式图
表1ATP和UTP与YdiU蛋白的结合自由能的贡献
3、UMPylation修饰调控分子伴侣功能
为了进一步研究UMPylation修饰调控分子伴侣的机制，本研究分析了UMPylation修饰的具体氨基酸位点，发现UMPylation修饰位点均发生在分子伴侣与底物或辅因子结合的界面上。
研究表明，YdiU的UMPylation修饰可以明显抑制DnaK和GrpE的结合，同时还阻碍了GroEL与底物的结合。研究证明，UMPylation修饰作为一种负调控机制可以关闭分子伴侣的功能。
图3 UMPylation修饰可以阻止伴侣蛋白与底物或辅因子的结合
- 看点
当细菌遭受压力环境时，分子伴侣的功能主要是帮助损伤的蛋白进行快速修复，这个过程会消耗大量的ATP。本研究发现，在压力环境下，细胞内的ATP严重不足，这时YdiU蛋白可以在UTP的作用下，发挥UMPylation修饰的功能，对分子伴侣蛋白进行修饰，关闭其修复功能。进而保护细菌在压力环境下，不会因为ATP大量消耗而衰竭致死。
