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2021年(2): D3DistalMutation——远端突变显著影响酶的活性

已有 1195 次阅读 2021-6-30 12:57 |个人分类:数据平台开发|系统分类:论文交流

酶是一种非常重要的生物催化剂。在生物体中,酶能够加速化学反应并参与几乎所有的新陈代谢过程;在工业上,酶在催化抗生素合成和降解污染物方面发挥着不可或缺的作用。人们知道,酶的氨基酸突变可以影响其生物活性。这可以理解为,活性位点中的氨基酸或那些在空间上接近活性位点的氨基酸如果发生突变,将直接或间接影响酶与底物的作用,从而导致活性的变化。

2018年诺贝尔化学奖获得者Frances Hamilton Arnold指出“We learned the then‐surprising fact that beneficial mutations could be far from an active site, and often appeared on the protein surface (which in those days was generally deemed insensitive to mutation and functionally neutral). To this day, no one can explain satisfactorily how such mutations exert their effects, much less predict them1。为探索远端突变对酶活性的影响,中国科学院上海药物研究所徐志建/朱维良课题组构建了远端突变对酶活性影响的数据库D3DistalMutation,并据此开展了进一步的分析总结研究,结果发表于计算化学和化学信息学核心期刊Journal of Chemical Information and Modeling2。论文的第一作者为硕士研究生王晓宇,通讯作者为朱维良研究员和徐志建副研究员。

D3DistalMutation数据库包含有725种受远端单点突变影响的酶,并提供突变残基、活性变化描述相关的文本信息和显示出潜在口袋的蛋白三维结构文件的下载链接。研究人员发现随着距离的增加,突变对酶活性的影响虽然不断降低,但远端突变对酶活性的影响仍然非常显著(图1)。在远端突变中导致酶活性无变化、活性降低、活性缺失和活性增强的比率分别为20.7%44.0%28.7%6.6%。产生此现象的可能原因是幸存者偏差,即学术期刊和作者都倾向于发表影响酶活的阳性数据,大部分对活性无影响的远端突变未能发表。大量的酶存在影响自身活性的远端突变,说明这是生命体内的普遍现象。

 

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1、影响酶活性的突变数目与总突变数目在每个距离区间中的比值。

分析远端突变在蛋白三级结构上的空间位置,研究人员发现在活性无变化、活性降低、活性缺失和活性增强的远端突变中,分别有76.1%84.7%88.6%91.5%的突变是位于蛋白质口袋,这表明影响酶活性的远端突变更倾向位于蛋白质口袋中(图2),这些结果表明针对远距离口袋的药物设计也是值得给予重视的研究领域。

 

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2、酶活性与突变所在口袋的体积的关系。纵坐标为远端突变位于体积排名前六的口袋上的数目与总数目的比值(突变导致酶活性无变化(A)、活性降低(B)、活性缺失(C)和活性增强(D)),横指标为口袋体积(1-6代表由大到小)。

提高工业酶的活性是产业界和学术界非常关心的内容。在该研究中,他们发现Y®FS®DT®D的远端突变容易增强酶的活性。进一步地,他们还发现提高活性的突变大部分位于无规则卷曲上(图3)。

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3、远端突变在二级结构上的分布。

D3DistalMutation数据库还提供了多突变/缺失突变对酶活性、突变对生物学过程影响的信息,以及到活性位点的距离小于10Å的突变对酶活性影响的信息。D3DistalMutation将有助于变构药物的发现、工业酶活性的增强以及酶作用机制的探索。

D3DistalMutation数据库是“D3Pharma Platform for Drug Discovery and Design”的有机组成部分,目前已经公开的其他模块有:(1)探索口袋动力学性质的D3Pocketshttp://www.d3pharma.com/D3Pocket/);(2)基于受体的抗新冠肺炎计算平台D3Dockinghttps://www.d3pharma.com/D3Targets-2019-nCoV/D3Docking/index.php);(3)基于配体的抗新冠肺炎计算平台(https://www.d3pharma.com/D3Targets-2019-nCoV/D3Similarity/index.php);(4)蛋白质运动数据库D3PMhttp://www.d3pharma.com/D3PM/index.php)。

 

D3DistalMutation数据库地址:

https://www.d3pharma.com/D3DistalMutation/index.php

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jcim.1c00318

 

参考文献:

1.    Arnold, F. H., Directed Evolution: Bringing New Chemistry to Life. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 4143-4148.

2.    Wang, X.; Zhang, X.; Peng, C.; Shi, Y.; Li, H.; Xu, Z.; Zhu, W., D3DistalMutation: a Database to Explore the Effect of Distal Mutations on Enzyme Activity. J. Chem. Inf. Model. 2021, 61, 2499-2508.




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