生命学院刘冀珑组揭示P5CS双螺旋结构促进酶功能

ON2022-03-20文章来源 生命科学与技术学院CATEGORY新闻

3月15日,上海科技大学生命科学与技术学院刘冀珑课题组在学术期刊eLife上发表研究论文,首次揭示了四个双功能酶吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)分子为单位形成双螺旋纤维结构的组装机制,双螺旋纤维进而成束形成细胞蛇。这是自从1951年建立从谷氨酸到脯氨酸的转化、1980年检测到P5CS活性、1992年发现P5CS基因以来,全长P5CS蛋白的首次结构解析。在此数据基础上,刘冀珑团队还进一步提出了P5CS双螺旋结构促进酶催化反应的新思路。

P5CS是脯氨酸和鸟氨酸生物合成的关键酶,该代谢途径将人体内重要的三羧酸循环、尿素循环以及脯氨酸合成代谢联系起来。P5CS基因(ALDH18A1)的致病突变会导致人类神经皮肤综合征等罕见病。在植物中,P5CS的缺乏会严重损害植物抵抗逆境的能力。因此,P5CS在人类健康和农业生产中均发挥着重要作用。

2010年,刘冀珑首次发现胞苷三磷酸合成酶(CTPS)在果蝇细胞中形成蛇状无膜细胞器,并将这种结构命名为“细胞蛇”。其团队后续发现并报道了CTPS在真核生物、原核生物以及古菌中都能形成细胞蛇。在寻找与CTPS互相作用的蛋白质时,研究团队发现P5CS蛋白与CTPS存在相互作用,也能在果蝇体内形成细胞蛇结构。代谢酶形成细胞蛇结构是一种新型的细胞区域化方式,跨物种的细胞蛇结构的存在表明,细胞蛇的形成具有重要的生物学功能。

P5CS是从谷氨酸合成脯氨酸的关键酶,含两个功能结构域,谷氨酸激酶(GK)和谷氨酰磷酸还原酶(GPR)结构域,对应原核生物和低等真核生物中的两个代谢酶。本研究中,研究人员发现果蝇P5CS蛋白在多种底物环境下可在体外诱导形成纤维结构。单根纤维只能在电子显微镜下才能分辨,但是在细胞内许多根纤维可以成捆从而形成在光学显微镜下可见的细胞蛇结构。

研究人员利用冷冻电镜解析了果蝇P5CS蛋白与底物和中间体结合状态下 3.1–4.3埃分辨率的冷冻电镜结构,从分子层面解析了P5CS纤维结构的组装机制(图)。结果显示,P5CS独特的双螺旋纤维结构由四聚体形式组装形成,并通过多个相互作用界面保持稳定。

研究还发现,阻止纤维结构组装的点突变大幅降低了P5CS的催化速率,这表明P5CS纤维结构的功能是促进该酶保持活性。进一步研究发现, GK和GPR结构域在不同配体结合状态下产生的构象变化,阐述了P5CS纤维结构中不同催化状态的工作模型。这项工作表明P5CS纤维结构对于GK和GPR结构域之间的协调至关重要。  

上海科技大学生命学院2020级博士研究生钟嘉乐、2020级硕士研究生郭陈君与高级工程师周贤为该论文的共同第一作者,刘冀珑教授为该论文的通讯作者。这项研究获得科技部、国家自然科学基金和上海市科委的资助。


图:果蝇P5CS蛋白纤维结构组装的示意图。


论文标题:Structural basis of dynamic P5CS filaments

论文链接:https://elifesciences.org/articles/76107