Nature Communications報道海洋所弧菌毒力因子研究最新成果
近日,Nature子刊Nature Communications以article形式在線發(fā)表中國科學院海洋研究所馬慶軍課題組關于弧菌毒力因子通過結構重塑實現(xiàn)雙重寬泛性催化的最新成果,對深入理解酶寬泛性催化的分子機制具有重要意義,是對現(xiàn)有酶催化知識體系的重要擴展。?
盡管在教科書中常把催化專一性作為酶的基本特征之一,但近年來發(fā)現(xiàn)很多酶可以通過一個活性位點催化多種底物,甚至催化不同類型的化學反應。前者稱為酶的底物寬泛性(substrate promiscuity),后者稱為酶的催化反應寬泛性(catalytic promiscuity)。 目前,對于酶寬泛性催化的分子基礎知之甚少。?
弧菌是海洋中一種常見病原菌,包括霍亂、創(chuàng)傷、副溶血和溶藻弧菌等,嚴重威脅人類健康和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。弧菌雙重脂酶/轉移酶(Vibrio Dual Lipase/Transferase:VDLT),也稱為熱不穩(wěn)定溶血素(Thermolabile Hemolysin, TLH),是弧菌分泌的毒力因子,可以催化多種脂類底物,表現(xiàn)出磷脂酶A1/A2、酯酶以及膽固醇轉移酶活性,因此該酶既具有底物寬泛性又具有催化反應寬泛性。在前期研究中,該團隊解析了第一個VDLT結構(創(chuàng)傷弧菌VvPlpA),不但發(fā)現(xiàn)了一個有趣的絲氨酸-組氨酸-氯離子組成的催化三聯(lián)體(JBC封面文章, 2019),同時發(fā)現(xiàn)其氧陰離子洞呈現(xiàn)出失活構象,而且底物結合口袋也處于封閉狀態(tài),說明VDLT具有一定的結構柔性并在催化過程中發(fā)生構象變化。但由于缺乏底物結合狀態(tài)的結構信息,VDLT如何實現(xiàn)寬泛性催化的分子機制尚不清晰。?
在新的研究中,該團隊報道了溶藻弧菌VDLT(ValDLT)單獨以及結合多種配體的復合物結構,為VDLT寬泛性催化的分子機制提供了新見解。ValDLT的整體結構與VvPlpA相似,但采用了經(jīng)典Ser-His-Asp三聯(lián)體催化裝置。無配體結合時,ValDLT的柔性“蓋子”覆蓋在底物結合口袋上,呈現(xiàn)動態(tài)變化的無序構象。非常有趣的是,參與形成催化位點氧陰離子洞的兩個氨基酸殘基就位于柔性蓋子上,因此ValDLT采用了一個獨特的柔性氧陰離子洞+剛性Ser-His-Asp三聯(lián)體的催化裝置。而在與脂肪酸配體結合時,活性位點會發(fā)生從無序到有序的構象變化,令人驚奇的是,這些構象變化呈現(xiàn)出底物依賴性,表明ValDLT可能通過不同的構象變化途徑來催化不同底物,而且這種構象變化可能也調制了其脂酶和轉移酶活性的平衡。氧陰離子洞的結構微擾實驗表明,VDLT的催化位點柔性是其適應寬泛性催化的一個顯著結構特征。綜合結構與酶學實驗證據(jù),作者提出催化位點微調機制(catalytic site tuning mechanism)是VDLT實現(xiàn)雙重寬泛性催化的分子基礎。?
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VDLT的催化裝置由相對剛性的三聯(lián)體和靈活的氧陰離子洞組成
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VDLT的活性位點具有結構柔性,并可發(fā)生配體依賴的構象變化,通過催化位點微調機制實現(xiàn)底物和催化反應的雙重寬泛性
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雖然酶利用結構柔性實現(xiàn)寬泛性催化的案例也曾有報道,但柔性變化的部分一般都只限于結合位點,在催化位點發(fā)生形變的案例非常罕見。整體上看,該研究為酶在催化位點展現(xiàn)柔性的情形提供了典型案例,指出了催化位點的結構柔性在酶寬泛性催化中的重要作用,拓展了酶寬泛性催化的分子基礎,對脂酶的工業(yè)化改造也有指導作用。該研究成果也為以VDLT為靶標的抗毒力療法提供了精細的結構信息,對弧菌病的防治具有積極意義。?
中國科學院海洋研究所博士研究生王崇洋為論文第一作者,馬慶軍研究員為論文通訊作者。研究得到青島市人才基金等支持,以及中國海洋大學萬升標老師的支持。? ?
相關成果:
Wan, Y., Liu, C. & Ma, Q. Structural analysis of a Vibrio phospholipase reveals an unusual Ser-His-chloride catalytic triad. J Biol Chem 294, 11391-11401 (2019). doi:10.1074/jbc.RA119.008280?
Wang, C., Liu, C., Zhu, X.?et al.?Catalytic site flexibility facilitates the substrate and catalytic promiscuity of?Vibrio?dual lipase/transferase.?Nat Commun?14, 4795 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40455-y?
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