清華新聞網(wǎng)9月6日電 生物素依賴(lài)型羧化酶對(duì)涉及羧基轉(zhuǎn)移的各種代謝過(guò)程至關(guān)重要，它們?cè)谔钱惿⒅舅岷铣珊桶被岱纸獯x中起著至關(guān)重要的作用。該酶家族在人體中包括乙酰輔酶A羧化酶ACC——脂肪酸合成的關(guān)鍵，丙酮酸羧化酶PC——對(duì)糖異生、脂肪合成至關(guān)重要，丙酰輔酶A羧化酶PCC——參與某些氨基酸和奇數(shù)鏈脂肪酸的代謝；以及3-甲基巴豆酰輔酶A羧化酶MCC——負(fù)責(zé)亮氨酸分解代謝?；蛲蛔?cè)斐傻倪@些酶的缺乏或功能缺失可導(dǎo)致嚴(yán)重的代謝紊亂，如丙酸血癥和多種羧化酶缺乏癥，其特征是無(wú)法代謝某些脂肪和蛋白質(zhì)，積累有毒中間產(chǎn)物。因此，研究人源生物素依賴(lài)型羧化酶可以深入了解它們所控制的生化途徑，為開(kāi)發(fā)相關(guān)代謝疾病的治療提供新的思路。
9月2日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心隋森芳課題組與王宏偉課題組合作在《自然·結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）雜志在線(xiàn)發(fā)表了題為“人源3-甲基巴豆酰輔酶A羧化酶協(xié)同激活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural insight into synergistic activation of human 3-methylcrotonyl-CoA carboxylase）的研究論文。該論文報(bào)道了人源MCC、PC和PCC的結(jié)構(gòu)，尤其是深入剖析了MCC的多種構(gòu)象，揭示了MCC的激活機(jī)制和底物特異性識(shí)別的機(jī)制。
研究人員首先利用生物素依賴(lài)型羧化酶共價(jià)結(jié)合生物素的特性，以及生物素與strep柱材的高親和力，在無(wú)需進(jìn)行基因操作的前提下，從293F細(xì)胞中直接純化出了高純度的內(nèi)源性羧化酶（圖1a）。進(jìn)一步使用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，研究人員獲得了MCC在不結(jié)合底物、結(jié)合特異性底物MCoA以及結(jié)合非特異性底物ACoA的狀態(tài)下的多種構(gòu)象的結(jié)構(gòu)（圖1b和圖2）。MCC包含四個(gè)結(jié)構(gòu)域：生物素羧化酶結(jié)構(gòu)域BC，生物素羧基載體蛋白結(jié)構(gòu)域BCCP，羧基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域CT以及連接BC結(jié)構(gòu)域和CT結(jié)構(gòu)域的BC-CT結(jié)構(gòu)域。已有的研究普遍認(rèn)為生物素依賴(lài)型羧化酶家族都遵循著兩步反應(yīng)的方式。第一步是利用細(xì)胞中的ATP提供能量，將碳酸鹽中的羧基轉(zhuǎn)移到生物素上使生物素羧化，反應(yīng)中心在BC結(jié)構(gòu)域上。第二步是將生物素上的羧基轉(zhuǎn)移到底物上，即完成底物的羧化，反應(yīng)中心在CT結(jié)構(gòu)域上。生物素是整個(gè)反應(yīng)的重要中介，在復(fù)合物中生物素本身是通過(guò)一個(gè)保守的賴(lài)氨酸殘基共價(jià)連接在BCCP上。通過(guò)BCCP的擺動(dòng)帶動(dòng)生物素到達(dá)不同的反應(yīng)中心發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)對(duì)獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否結(jié)合底物，MCC復(fù)合物都至少存在兩種構(gòu)象，即BCCP結(jié)合BC結(jié)構(gòu)域和BCCP結(jié)合CT結(jié)構(gòu)域。這兩種構(gòu)象處于動(dòng)態(tài)平衡中，并且不依賴(lài)于是否結(jié)合底物，僅在底物結(jié)合時(shí)傾向于促進(jìn)BCCP與CT的結(jié)合，表明MCC復(fù)合酶的結(jié)構(gòu)變化屬于構(gòu)象選擇模型。研究人員通過(guò)更深入的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，多種結(jié)構(gòu)元素協(xié)同作用從而保證BCCP上的生物素與CT結(jié)構(gòu)域特異性地順利結(jié)合，并提出了底物結(jié)合引發(fā)結(jié)構(gòu)變化從而誘導(dǎo)生物素從初始激活位點(diǎn)（pre-active site）轉(zhuǎn)移到最終激活位點(diǎn)（final-active site）的激活機(jī)制。該研究不僅加深了人們對(duì)生物素依賴(lài)型羧化酶的激活機(jī)制的理解，還為治療相關(guān)酶導(dǎo)致的代謝性疾病的藥物研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖1.a.內(nèi)源生物素依賴(lài)型羧化酶純化流程。b.多種構(gòu)象的MCC、PCC、PC的原子模型（疊加電鏡密度圖）和結(jié)構(gòu)模型
圖2.MCC結(jié)合特異性底物MCoA和非特異性底物ACoA的多種構(gòu)象的原子模型（疊加電鏡密度圖）和結(jié)構(gòu)模型
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士、王宏偉教授和孫珊副研究員為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后蘇家躍、田旭陽(yáng)，已畢業(yè)博士程航（2015級(jí)），已出站博士后劉德生為論文共同第一作者。清華大學(xué)2023級(jí)博士生王子怡參與了生化實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)為該工作提供了技術(shù)支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41594-024-01379-3
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
