四川大學Nature Chemical Biology發文 揭示羊毛硫肽鋅金屬肽酶的催化機制

時間:2022年5月10日
來源:四川大學華西醫院

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2022年5月5日,生物治療國家重點實驗室、我院感染性疾病中心包銳研究員團隊聯合南京大學王歡教授團隊、梁勇教授團隊在Nature Chemical Biology發表題為“Conformational remodeling enhances activity of lanthipeptid...

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  2022年5月5日,生物治療國家重點實驗室、我院感染性疾病中心包銳研究員團隊聯合南京大學王歡教授團隊、梁勇教授團隊在Nature Chemical Biology發表題為“Conformational remodeling enhances activity of lanthipeptide zinc-metallopeptidases”的研究文章。文章揭示了羊毛硫肽金屬肽酶的催化機制,對于活性藥物研發的重要來源——羊毛硫肽的生產具有重要價值。

   

  圖1

  四川大學華西醫院為本課題第一完成單位,四川大學博士研究生趙暢、南京大學博士生盛王健為本文共同第一作者;晶體結構數據收集獲得了上海光源與蛋白質中心的支持。南京大學王歡教授、魏婉清博士以及我院包銳教授為共同通訊作者。本論文的實驗工作全部在國內完成,得到了國家自然基金、江蘇省自然科學基金以及我院的經費資助支持。

  M1 家族鋅金屬肽酶廣泛分布于許多物種并參與調節多種生物學功能。例如,大腸桿菌氨肽酶N(ePepN)參與胞質蛋白降解過程中依賴 ATP 的下游加工。人源內質胰島素調節氨肽酶 (IRAP) 是內吞運輸和信號轉導的關鍵調節劑,而內質網氨肽酶 ( ERAP1 和 ERAP2) 負責抗原修剪。這類酶均是Zn2+離子依賴的金屬肽酶,往往只具備氨肽酶一種活性。最近,在微生物中發現了一類負責加工羊毛硫肽(lanthipeptide)的M1家族鋅金屬肽酶(LanPM1),羊毛硫肽是核糖體肽化合物最大的亞家族,有多種結構和生物學活性,是活性藥物研發的重要來源。

  不同于大多數M1家族鋅金屬肽酶,LanPM1被發現是一類雙功能蛋白酶,其同時具備內肽酶和氨肽酶兩種酶活性,然而這兩種酶活性的催化和轉化機制尚不清楚。此外,LanPM1的低氨肽酶活性影響了羊毛硫肽的體外成熟,限制了這類酶的應用和羊毛硫肽的異源生產。因此,深入研究 LanPM1蛋白酶的雙功能酶學,并設計具有高效氨肽酶活性的酶,對于生產羊毛硫肽具有重要的價值。

  為了探究LanPM1的催化機制,研究團隊首先采用X射線晶體衍射技術解析了羊毛硫肽鋅金屬肽酶家族成員EryP關閉構象、開放構象、中間態的高分辨率晶體結構(圖2)。羊毛硫肽鋅金屬肽酶EryP由四個結構域(Domain)組成,并且Domain-II是其催化中心,包含有保守的Zn2+催化位點,盡管EryP具有內肽酶和氨肽酶雙功能酶活性,結合突變和生化實驗發現Zn2+催化位點是其唯一的酶活性位點。通過與其他M1家族的結構比較,發現其具有更大的底物結合空腔,這使得其可以催化更大的環肽底物以及更好地發揮獨特的內肽酶活性。

   

  圖2 

  進一步結構分析發現,在關閉構象中Domain-II和Domain-IV結構域之間還存在一個酸性殘基包圍的Ca2+結合位點,分子動力學模擬和體外酶活測試發現該位點可以穩定EryP的關閉構象并別構調節氨肽酶活性,研究人員猜想關閉構象是這類酶發揮酶活性的關鍵。受到Ca2+調控位點的啟發,對EryP和同家族的鋅金屬肽酶AplP進行改造,通過在Domain-II和Domain-IV之間引入鹽橋相互作用使其形成了更加關閉的構象,這種改造使EryP和AplP體外氨肽酶活性得到了顯著提升,極大地改善了羊毛硫肽化合物的體外成熟效率。

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41589-022-01018-2  

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