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四川大学华西医院程伟团队解析膜蛋白DGGGPase的结构和功能

已有 595 次阅读 2020-10-21 03:48 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

膜脂是细胞膜的重要组成部分,主要由脂类分子以双分子层的形式构成的膜骨架。微生物在生长过程中,生物膜脂的合成与代谢调控具有重要作用。虽然微生物细胞膜脂质合成的主要机制已被阐明,但古细菌细胞膜的甘油磷脂生物合成机制,由于涉及膜内多个蛋白的参与,目前仍不完全清晰。


其中,古细菌膜脂关键合成酶CDP-archaeol synthase(ApCarS)上游参与 CDP-archaeol合成的膜蛋白DGGGPase(Digeranylgeranylglyceryl phosphate synthase),其蛋白结构还未被解析。

北京时间2020年10月20日晚23时,四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室程伟教授团队与荷兰皇家科学院Arnold J.M. Driessen院士团队合作在Cell Reports杂志发表了题为“Structural and functional insights into an Archaeal lipid synthase”的研究成果。


研究团队首先利用化学合成的GGGP和GGPP做底物,将纯化后的DGGGPase作催化物在体外生物合成出了DGGGP;同时在不同金属离子的条件下,测定了DGGGPase的相关酶活;再然后通过蛋白质序列的分析表明DGGGPase是UbiA超家族一员(图1)。

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图1 DGGGPase的功能学特征


接下来,研究团队对DGGGPase的晶体结构进行了解析,发现DGGGPase结构中有九个跨膜螺旋,以及一个被胞质帽结构域覆盖的大的侧开口和一个独特的结合底物的中央空腔(图2),该结构与2014年程伟在美国做博士后期间解析的古细菌细胞膜内异戊二烯基转移酶UbiA的晶体结构类似[1]。该发现明确了DGGGPase是UbiA家族成员,并在体外证明了其催化活性。

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图2 DGGGPase晶体结构


同时,研究人员还发现DGGGPase可以与GGGP和GGPP同时结合形成复合物(图3)。 根据发现的结构和对生化功能的解析,研究人员提出了DGGGPase参与脂质合成的分子机制:DGGGPase可以通过与底物GGGP结合触发柔性片段CHL23的移动;但此时,柔性区域CHL67是静态的:当催化反应发生时,CHL67可以向内移动到活性位点,CHL23和CHL67协调中间体的头基,然后TM1和TM9的螺旋协同地跟随CHLs的移动形成更大的侧向开口,最终与邻近该开口的疏水残基结合,并释放产物。该发现不仅阐明了DGGGPase在古细菌细胞膜合成中的作用机制,而且开发出了一种独特的检测双底物都是脂类分子的体外酶活鉴定方法,可用于对多种活性酶的鉴定与分析。

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图3 DGGGPase 和脂溶性分子复合物结构


在本次对DGGGPase的研究前,程伟及程伟所在团队已经对微生物膜脂合成的机制进行了系统性的研究,相继在Science、Nature Communications、Cell Research发表研究论文,分别解析了古细菌UbiA的晶体结构、醌类分子维生素K的环氧化还原酶(vitamin K epoxide reductase,VKOR)的蛋白结构,以及古细菌膜脂关键合成酶CDP-archaeol synthase(ApCarS)的蛋白结构。这些研究成果为生物的进化提供了新的见解[1-3]。


除了解析微生物蛋白酶的结构和功能,程伟课题组还针对微生物免疫调控、微生物与宿主互作机制等方面开展了研究,在Nature Microbiology、Science Bulletin等国际知名期刊发表了多篇科研论文[4-7]。


程伟课题组主要从事微生物生理生化研究,致力于解析微生物耐药及致病机制,欢迎生物化学、分子生物学、细胞生物学、化学、药学、生物信息学等各相关专业的青年才俊加盟,一起奋斗。联系方式:chengwei669@scu.edu.cn


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108294


参考文献


(1) Structural insights into ubiquinonebiosynthesis in membranes, Science, 2014.2.21, 343(6173): 878-881

(2) Structures of an intramembrane vitamin K epoxide reductase homolog reveal control mechanisms for electron transfer, Nature Communication, 2014, 5(3110): 1-9

(3) Structural and mechanistic insights into the biosynthesis of CDP-archaeol in membranes. Cell Research, 2017, 27(11): 1378-1391

(4) Structural and functional insights into the regulation of the lysis-lysogeny decision in viral communities. Nature Microbiology, 2018, 3(11): 1285-1294

(5) Structural insights into the CRISPR-Cas-associated ribonuclease activity of Staphylococcus epidermidis Csm3 and Csm6. Science Bulletin, 2018, (11): 691-699

(6) Structural and Mechanistic Analyses Reveal a Unique Cas4-like Protein in the Mimivirus Virophage Resistance Element System. iScience, 2018, 1(3): 1-10

(7) Structural and mechanistic insights into polymyxin resistance mediated by EptC originating from Escherichia coli. FEBS Journal, 2018, 1(22): 1-12






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