青島能源所代謝物組學(xué)研究組馮銀剛研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在能源微生物的一對(duì)相互作用蛋白質(zhì)模塊中發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的pH依賴(lài)的雙結(jié)合位點(diǎn)切換現(xiàn)象,并闡明了其化學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)制,相關(guān)成果近日發(fā)表于國(guó)際高影響刊物Science Advances。該研究不僅揭示了生物體系復(fù)雜精巧的調(diào)控機(jī)制,同時(shí)也為pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)器件和生物材料開(kāi)發(fā)提供了新的素材,在合成生物學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用中具有重要價(jià)值。
pH是幾乎所有在水溶液中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的重要因素,在生命過(guò)程中具有重要的作用。生物體中有許多pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)功能開(kāi)關(guān),不僅可調(diào)控細(xì)胞的生理和生化過(guò)程,而且可作為生物技術(shù)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵感應(yīng)器件和功能開(kāi)關(guān)。目前已知的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化都是通過(guò)感應(yīng)pH變化實(shí)現(xiàn)“打開(kāi)-關(guān)閉”式的開(kāi)關(guān)切換控制,發(fā)現(xiàn)新型的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)互作方式具有重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。代謝物組學(xué)研究組長(zhǎng)期以來(lái)以一種高效降解木質(zhì)纖維素的多酶復(fù)合體“纖維小體”為對(duì)象開(kāi)展研究,并在研究一種產(chǎn)溶劑梭菌——丙酮丁醇梭菌——的纖維小體時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種全新的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)相互作用變化方式。研究人員通過(guò)核磁共振技術(shù)發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌中的一對(duì)纖維小體組裝模塊——粘連模塊和對(duì)接模塊——在低pH條件下會(huì)選擇性結(jié)合于一個(gè)位點(diǎn),而在高pH條件下選擇性結(jié)合于另一個(gè)位點(diǎn),從而形成了在不同pH條件下兩個(gè)相互作用位點(diǎn)之間的切換(圖1)。隨后,研究人員利用核磁共振、X射線(xiàn)晶體學(xué)、微量熱、分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種生物物理技術(shù),揭示了這兩個(gè)蛋白模塊相互作用在pH依賴(lài)性方面的化學(xué)和結(jié)構(gòu)機(jī)制:對(duì)接模塊上兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的多對(duì)不對(duì)稱(chēng)殘基,以及粘連模塊上結(jié)合位點(diǎn)處的一段富含負(fù)電的柔性區(qū)殘基的pKa漂移共同造成了這對(duì)蛋白模塊相互作用的pH依賴(lài)的位點(diǎn)切換現(xiàn)象。這種精巧的pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)互作模式不同于其他已知的pH依賴(lài)性蛋白質(zhì)互作方式,不僅揭示了生命體中可能存在的復(fù)雜分子作用機(jī)制,而且為生物材料開(kāi)發(fā)、蛋白質(zhì)感應(yīng)器件設(shè)計(jì)、合成生物學(xué)元件設(shè)計(jì)等多種生物技術(shù)應(yīng)用提供了嶄新的素材和方案。
代謝物組學(xué)研究組長(zhǎng)期致力于木質(zhì)纖維素降解利用和生物質(zhì)燃料開(kāi)發(fā),在高效降解木質(zhì)纖維素的分子機(jī)器“纖維小體”研究中取得了多項(xiàng)重要的研究成果,在高溫厭氧菌的遺傳改造、代謝工程和合成生物學(xué)開(kāi)發(fā)方面,形成了獨(dú)具特色的研究方向和國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該論文所報(bào)道的研究成果是代謝物組學(xué)研究組長(zhǎng)期堅(jiān)持在木質(zhì)纖維素降解利用和“纖維小體”研究中取得的重要成果。代謝物組學(xué)研究組博士生姚形哲、助理研究員陳超、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究組副研究員王業(yè)飛是本論文的共同第一作者,代謝物組學(xué)研究組馮銀剛研究員為本論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院以及以色列科學(xué)基金會(huì)的資助。
圖1. pH依賴(lài)的蛋白質(zhì)相互作用位點(diǎn)切換。A. 不同pH條件下通過(guò)核磁共振觀(guān)測(cè)到的不同的相互作用位點(diǎn)。B. 兩種結(jié)合方式的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。C. pH依賴(lài)的結(jié)合位點(diǎn)切換機(jī)制的卡通模型。該模型中藍(lán)色為粘連模塊,黃色/綠色為一個(gè)對(duì)接模塊上的兩個(gè)部分對(duì)稱(chēng)的結(jié)合位點(diǎn)。(文/圖 馮銀剛)
原文鏈接:https://doi.org/10.1126/sciadv.abd7182
X. Yao, C. Chen, Y. Wang, S. Dong, Y.-J. Liu, Y. Li, Z. Cui, W. Gong, S. Perrett, L. Yao, R. Lamed, E. A. Bayer, Q. Cui, Y. Feng (2020) Discovery and mechanism of a pH-dependent dual-binding-site switch in the interaction of a pair of protein modules. Sci. Adv. 6, eabd7182.