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CCS Chemistry:金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶是如何識別特異性底物的?

引用本文:  

CCS Chemistry:金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶是如何識別特異性底物的?

[J]. CCS Chemistry, 2020, 2(0): 946-954. doi: 10.31635/ccschem.020.202000219
shu

Citation:   

CCS Chemistry:金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶是如何識別特異性底物的?

[J]. CCS Chemistry, 2020, 2(0): 946-954. doi: 10.31635/ccschem.020.202000219
shu

CCS Chemistry:金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶是如何識別特異性底物的?

摘要:

   中山大學夏煒、香港大學孫紅哲課題組通過解析金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶純蛋白以及復合物晶體結構,發現其特有的“C-helix”結構域在結合特異性底物過程中發生的構象變化,提出了金黃色葡萄球菌醛基脫氫酶識別特異性底物的分子門控機制,并通過一系列生化實驗輔助驗證。



   

   金黃色葡萄球菌是一種常見人類病原菌,可引起一系列感染性疾病,由于抗生素的濫用,產生了許多耐藥性的金黃色葡萄球菌,而相對于開發新的抗生素,發展新的抗感染療法對于對抗病毒感染更為有效。超過90%的金黃色葡萄球菌臨床分離株會產生一種金黃色的含有30個碳(C30)的長鏈類胡蘿卜素分子,稱為葡萄球菌黃素,該色素可作為抗氧化劑提高細菌對于活性氧的耐受能力。因此,阻斷其生物合成途徑是一項重要的工作。


   葡萄球菌黃素的生物合成路徑需要一系列催化酶的參與(圖1)。其中,醛基脫氫酶(SaAldH)是最近被發現的參與色素合成的酶類,其功能是催化長鏈不飽和醛4,4’- diaponeurosporen-4-al生成對應的羧酸。近期,中山大學夏煒課題組以及香港大學孫紅哲課題組報道了SaAldH純蛋白以及其與特異性底物復合物的晶體結構,在分子層面揭示了SaAldH識別特異性底物——多不飽和長碳鏈脂肪醛的門控機制。


圖1 葡萄球菌黃素合成通路示意圖


   從純蛋白結構中,作者發現SaAldH二聚體除了保守的催化結構域、NAD結合結構域以及橋連結構域以外,在C端還具有獨特的“C-helix”結構,類似于人源脂肪醛脫氫酶(FALDH)中的“gatekeeper helix”。將純蛋白和復合物晶體結構對比后,發現“C-helix”在結合特異性底物之后發生了明顯的構象變化(圖2),朝著底物通道入口的方向轉動了10.6°的夾角,從而使得氨基酸殘基F456和F457的側鏈插入到底物通道入口處,破壞了純蛋白狀態下F456、F457以及Y92形成的T型π-π堆疊相互作用。此外“C-helix”之前的loop區域的氨基酸V441和H442也向著底物通道入口的方向靠近,從而實現了底物口袋的閉合。因此作者們提出“C-helix”充當了重要的門控作用,在純蛋白狀態下,酶活口袋處于“開合”狀態,允許底物的進入,而當酶結合了特異性底物之后,“C-helix”發生構象變化,在通道入口處形成位阻,鎖住底物,使得酶活口袋處于“閉合”狀態。


圖2 SaAldH的“open-closed”構象變化

   通過對SaAldH和特異性底物之間的相互作用進行分析,作者們發現特異性底物與SaAldH底物結合通道中的氨基酸殘基形成廣泛的疏水相互作用。另外,酶序列上Y116與底物的2-甲基形成π–σ相互作用,F457與底物末端的兩個甲基形成疏水相互作用,暗示著“C-helix”同時也參與了對特異性底物的識別(圖3)。



圖3 SaAldH與其特異性底物相互作用分析

   最后,作者們通過體外酶活實驗、過氧化氫耐受實驗以及巨噬細胞吞噬實驗對關鍵氨基酸位點進行驗證,證實結構中看到的關鍵性位點確實參與了特異性底物的識別(圖4)。



圖4 關鍵氨基酸參與特異性底物識別的生化實驗驗證

   此項研究得到了國家自然科學基金、香港研究資助局、中國教育部以及中央高?;A研究經費的資助。該工作以research article的形式發表在CCS Chemistry,并在官網“Just Published”欄目上線。


文章詳情:

Structural Insight into the Substrate Gating Mechanism by Staphylococcus aureus Aldehyde Dehydrogenase

Xuan Tao , Zhemin Zhang , Xiao Zhang , Hongyan Li, Hongzhe Sun *, Zong-Wan Mao& Wei Xia *

Citation:CCS Chem. 2020, 2, 946–954

Link:https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000219


圖2 SaAldH的“open-closed”構象變化
亮點評述

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