Nature Communications | 杜立林实验室揭示杀手基因毒药-解药对立双重性背后的分子机制

2023年12月14日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院杜立林实验室在Nature Communications在线发表了题为“Ubiquitination-mediated Golgi-to-endosome sorting determines the toxin-antidote duality of fission yeast wtf meiotic drivers”的研究论文。在这项研究中，作者发现wtf基因家族的自私杀手基因的毒药-解药对立双重性是由泛素化修饰介导的亚细胞定位改变所决定的。这一发现深化了对自私杀手基因分子机理的认识。

孟德尔分离定律指出，在二倍体中，一个基因座上的两个等位基因以相同的概率被传递到后代中。然而，一类被称为杀手减数分裂驱动因子(killer meiotic drivers，KMDs)的自私基因会违反这一定律。一个属于杀手减数分裂驱动因子的自私基因会通过杀伤不携带该基因的配子，使自己以超过50%的频率出现在后代中。尽管这类自私杀手基因已经在动物、植物和真菌中被广泛地发现，但目前对它们的分子机制的理解十分有限。

杜立林实验室之前通过研究粟酒裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe的种内生殖隔离现象发现了两个自私杀手基因，被称为cw9和cw27。它们都属于wtf基因家族，编码多次跨膜蛋白。wtf基因家族的自私杀手基因通过从不同位点起始转录的方式，生成一长一短两种蛋白产物。短的产物是毒药蛋白，对配子有杀伤作用；长的产物是解药蛋白，保护那些遗传了杀手基因的配子不被杀伤。在毒药蛋白和解药蛋白的共同作用下，只有那些不携带杀手基因的配子会被杀伤。解药蛋白只比毒药蛋白多出了N端的大约50个氨基酸。这段解药蛋白特有的氨基酸序列如何导致解药与毒药的差别是理解wtf基因家族自私杀手基因分子机制的一个关键问题。

作者通过亲和纯化结合质谱分析，发现cw9 的解药蛋白(Cw9 antidote，简写为Cw9a)位于胞质的N端序列能结合Rsp5/NEDD4家族的泛素连接酶。这一相互作用由解药蛋白N端序列上的PY基序(Leu/Pro-Pro-X-Tyr)介导。通过突变PY基序可以将解药蛋白从无毒转变为有毒。与之相对地，通过给cw9的毒药蛋白(Cw9 toxin，简写为Cw9t)融合一个人造PY基序(artificial PY，简写为artPY)可以将毒药蛋白从有毒转变为无毒。这些结果说明解药蛋白特有序列的作用是招募Rsp5/NEDD4家族泛素连接酶。进一步，作者发现，解药蛋白N端有7个可以被Rsp5/NEDD4家族泛素连接酶修饰的赖氨酸。将这些赖氨酸突变为精氨酸之后，解药蛋白就从无毒转变为有毒。这说明，泛素化修饰抑制了解药蛋白所具有的内在毒性。

泛素化修饰是如何抑制毒性的呢？作者发现，泛素化修饰是决定解药蛋白亚细胞定位的分选信号。被泛素化修饰的解药蛋白从反式高尔基网络(trans-Golgi network，TGN)被运送到内体(endosome)，并进而到达液泡。在液泡或内体定位的解药蛋白不产生毒性。相反地，当PY基序被突变之后，解药蛋白不发生泛素化，就不再被从反式高尔基网络转运到内体，而是变成与毒药蛋白具有相同的亚细胞定位，导致解药蛋白的内在毒性显现出来(图1)。

图1: 泛素化介导的亚细胞定位变化决定了毒药-解药对立双重性

被泛素化修饰的解药蛋白如何解除毒药蛋白的毒性呢？作者发现，解药蛋白能与毒药蛋白相互作用，在解药蛋白上发生的泛素化修饰可以介导解药蛋白与毒药蛋白的复合体从反式高尔基网络到内体的转运，从而产生解毒的作用。

wtf基因家族被认为起源于一亿年之前。作者发现，通过泛素化修饰中和毒性的机制不但在粟酒裂殖酵母的wtf家族基因中普遍存在，而且也存在于与粟酒裂殖酵母在大约一亿年之前分离的八孢裂殖酵母的wtf家族基因，说明这是一种古老的机制，可能在wtf基因家族进化的最早期就出现了。

杜立林实验室的郑金鑫为文章的第一作者。杜立林为通讯作者。论文的其他作者还包括杜立林实验室的杜同阳、邵光灿、马炷惠、胡雯和索芳，以及董梦秋博士、姜招弟博士和何万中博士。该研究由科技部和北京市政府资助，在北京生命科学研究所完成。