大肠杆菌双功能蛋白结构测定

在2000年，加拿大发生了一起严重的水污染事故，造成7人死亡，2300人生病，虽然之后监管部门加强了监督，但是仍然会出现类似的情况，除了制定更严格的法规外，科学家们也希望能找出避免同样悲剧再次发生的技术方法，采用环保的生物学手段获得更干净的饮用水。近期来自加拿大皇后大学（Queen's University）生物化学系、北京师范大学的研究人员在这方面获得了突破，他们测定了大肠杆菌双功能蛋白：异柠檬酸脱氢酶（ICDH）磷酸激酶/磷酸酶（AceK）及其与底物复合物的晶体结构，从而了解到大肠杆菌和沙门氏菌这类的细菌如何能在低营养环境，比如水环境中生存的调控机制，这一最新成果也许能用于获得更安全的饮用水，以及更便宜的生物发酵制品。这项研究不仅在学术上发现了在同一蛋白的同一活性中心上行使相反功能的新机制——正常而言这两种相对活性应该需要两个不同的“活性位点”，而且可以应用到实际生活方面，可谓说是“一箭双雕”的新成果。研究成果公布在顶级专业期刊《自然》（Nature）上。为了更深入了解这一研究成果，记者联系了文章的两位作者：加拿大结构生物学首席科学家（Canada Research Chair in Structural Biology）、加拿大皇后大学及北京师范大学贾宗超教授，以及北京师范大学郑积敏博士，就读者感兴趣的一些问题请教了他们。据介绍，很早之前，科学家们就已经知道一些微生物能够在低营养的环境中生存一段时间，这是因为这些微生物的生理代谢中存在着一种特有机制，能够从利用葡萄糖作为碳源营养素切换到利用醋酸盐作为碳源营养素。这是由一个叫AceK的双功能酶所调控的。这里双功能酶的意思是指一个蛋白酶同时具有两个功能，并且是相反的功能。即它可以磷酸化和脱磷酸化同一个蛋白质底物。但是这个双功能酶是怎样被调控的机制一直都不是很清楚。贾宗超教授和郑积敏博士在之前微生物的磷酸化调控研究方面的基础上，通过蛋白质晶体结构解析获得了AceK蛋白本身，以及与底物形成的复合物的晶体结构，并通过蛋白质晶体学衍射数据计算分析，得到了相关的三维模型，从而了解到大肠杆菌和沙门氏菌这类的细菌如何能在低营养环境，比如水环境中生存的调控机制。之前曾有其他国外的研究组作过类似的研究，但都没有成功，因此这一课题可以说是颇具挑战性的，首先研究人员需要获得AceK蛋白本身，以及与底物形成的复合物的晶体结构，“但是酶和其底物是很难稳定的结合在一起形成复合物的，因此怎样才能拿到酶和底物复合物的晶体是我们研究中最重要的技术点”，郑博士表示。研究人员通过基因表达，蛋白质纯化，结晶，和晶体结构解析等实验步骤，最终拿到了这个复合物的晶体，并通过蛋白质晶体学衍射数据计算，即在原子水平上测定蛋白质中各个原子的空间分布及它们相互作用获得了相关的三维模型，利用这个模型，他们分析出可能的化学反应机制。原来实际上AceK蛋白只有一个活性中心，而一个活性中心行使两个不同生物功能，同时又不能影响与底物的结合，这不是简单的开启和关闭所能解释的。研究人员发现开启和关闭引发了活性中心的构像的变化，因而引发活性中心中不同的氨基酸残基参与反应。而具体的机制还需要进一步研究。这项成果有利于减少水中的细菌污染（比如大肠杆菌），还可以帮助获得更便宜的生物发酵试剂和药物（比如胰岛素），在环保方面也具有积极意义。这项成果也为以后的研究打开了一道门，科学家们能通过设计出可以调控AceK开关的药物，从而让细菌在水中无法生存，因此我们的饮用水能变得更加干净。来源：生物通王蕾）