近日,天津大學藥學院張雁教授研究團隊在甘氨酸自由基酶(GRE)參與微生物初級代謝研究領域又取得突破性進展:該團隊題為“Anaerobic Hydroxyproline Degradation Involving C-N Cleavage by a Glycyl Radical Enzyme”的研究論文在美國化學會期刊《Journal of the American Chemical Society》上發表上線(DOI: 10.1021/jacs.2c01673)。
通過輔酶催化的輔基合成,GRE多肽鏈上能形成穩定的甘氨酸自由基,並利用自由基催化不同的化學反應。近年來,張雁團隊發現厭氧菌中多個新GREs,分別在胺基酸、碳水化合物和能量代謝中起到關鍵作用,重繪了人們對微生物多樣性以及生命基礎物質初級代謝的認識。尤為重要的是,人體很多腸道菌為厭氧菌,其GREs參與的代謝途徑產生的化合物中有些為致病因數,進入人體血液迴圈後很大地影響人類健康。
此次,張雁團隊報導了一種新的GRE,反式-4-羥基-D-脯氨酸(t4D-HP)C-N-裂解酶(HplG)的結構和活性,並表徵了其參與的整個代謝途徑:順式-4-羥基-L-脯氨酸(c4L-HP)經異構酶催化生成HplG的底物t4D-HP,HplG催化其C-N鍵斷裂,開環生成2-氨基-4-酮戊酸(AKP),後者由2-氨基-4-酮戊酸硫代酶(OrtAB)裂解得到乙醯輔酶A和D-丙氨酸(圖1)。HplG是首個能催化雜環化合物開環反應的GRE,根據酶與底物複合物的晶體結構(圖2A-C),張雁團隊提出HplG自由基介導的1,2-消除開環反應的新穎催化機制(圖2D)。
圖1.厭氧菌羥脯氨酸降解新通路。
圖2.HplG結構與自由基介導的催化機理。A)HplG二聚體結構;;B)HplG與底物複合物活性中心結構;C)HplG底物立體構象與電子雲分佈;D)HplG催化機理模型
羥脯氨酸作為許多結構蛋白的組成成分以及維持細胞滲透勢的化合物,在自然界中的含量非常豐富。羥脯氨酸含有兩個手性中心,根據HplD催化反應的手性特异性,張雁團隊提出自然界還有多個未知GREs,分別催化不同手性羥脯氨酸的脫水或開環反應,充分強調GREs催化化學反應的多樣性,及其在微生物多樣性中的作用。
該論文的第一作者為天津大學藥學院碩士研究生段咏旭,共同第一作者為新加坡科技研究局的Yifeng Wei博士。天津大學尉遲之光教授和美國伊利諾伊大學香檳分校(UIUC)Huimin Zhao教授為共同通訊作者。本研究得到了“國家重點研發計畫項目(2019YFA0905700)”的支持。