解開酵素在低溫仍活躍的秘密:結構域動態展開是主因

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每升高 10°C,酵素的催化反應速度通常就會增加一倍。過去研究顯示,儘管熱帶魚和北極魚類的生活溫度差異很大,但相似的酵素仍以相近的速率工作。近日,刊登於《Nature》的一項新的研究顯示,由蛋白質表面結構差異所引起的動態異位(dynamic allostery)可能解釋酵素如何在低溫下保持其活性。

生存在寒冷環境生物的酵素中通常含有甘胺酸(Glycine),且其結構上含有來自相對應於溫暖氣候生物的酵素結構。甘胺酸為 20 個蛋白胺基酸中分子量最小的一個,因此它藉由促進暫時展開構形(temporarily unfolded conformations),破壞附近蛋白質的結構。

為了觀察這種波動是否能夠提高生物體對低溫的適應性,約翰斯霍普金斯大學(Johns Hopkins University) Vincent J. Hilser 教授和其研究團隊將甘胺酸植入腺苷酸激酶(adenylate kinase)的 LID 結構域和 AMPbd 結構域的表面位點。然後,他們發現 AMPbd 結構域中的甘胺酸置換,促進了局部展開並增加了活性位點(active site)的催化活性(catalytic activity)。LID 結構域中的甘胺酸置換,也促進了展開,並且影響完全不同的酵素功能,它們降低了活性位點處的酵素基質的結合親和力。隨著活性和結合親和力改變,都改善了酵素在低溫下有效工作的能力,該結果證明了冷適應的分子機制。

科學家們普遍認為,蛋白質的異位調控主要是透過蛋白結構域的結合而使蛋白質傳播的微小結構變化,而不是藉由結構域展開。此外,他們也認為蛋白結構展開的波動會影響酵素的特性,但不會影響個體功能。該研究結果顛覆了科學界過去的認知,能在不改變蛋白質基態結構的情況下微調生物功能。然而,該研究僅用一種模型酵素進行測試,因此與其他冷適應酵素的作用機制以及相關性仍須進一步研究。

瑞典于默奧大學(Umeå University)Magnus Wolf-Watz 教授對此表示,以局部蛋白質結構作為一種調節酵素功能的方法,是一個新概念。史丹佛大學(Stanford University)分子演化專家 George N. Somero 博士則表示,該研究也提供了生物工程師一個全新的酵素修飾研究方向。

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參考資料:
1. Saavedra HG, et al. Nature. 2018 Jun 6. doi: 10.1038/s41586-018-0183-2.
2. https://cen.acs.org/biologicalChemistry/biochemistry/Giving-enzymes-floppy-surfaces-enhance/96/i24
3. https://www.nature.com/articles/d41586-018-05302-x

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