解开酵素在低温仍活跃的秘密:结构域动态展开是主因

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每升高 10°C,酵素的催化反应速度通常就会增加一倍。过去研究显示,尽管热带鱼和北极鱼类的生活温度差异很大,但相似的酵素仍以相近的速率工作。近日,刊登于《Nature》的一项新的研究显示,由蛋白质表面结构差异所引起的动态异位(dynamic allostery)可能解释酵素如何在低温下保持其活性。

生存在寒冷环境生物的酵素中通常含有甘胺酸(Glycine),且其结构上含有来自相对应于温暖气候生物的酵素结构。甘胺酸为 20 个蛋白胺基酸中分子量最小的一个,因此它借由促进暂时展开构形(temporarily unfolded conformations),破坏附近蛋白质的结构。

为了观察这种波动是否能够提高生物体对低温的适应性,约翰斯霍普金斯大学(Johns Hopkins University) Vincent J. Hilser 教授和其研究团队将甘胺酸植入腺苷酸激酶(adenylate kinase)的 LID 结构域和 AMPbd 结构域的表面位点。然后,他们发现 AMPbd 结构域中的甘胺酸置换,促进了局部展开并增加了活性位点(active site)的催化活性(catalytic activity)。LID 结构域中的甘胺酸置换,也促进了展开,并且影响完全不同的酵素功能,它们降低了活性位点处的酵素基质的结合亲和力。随着活性和结合亲和力改变,都改善了酵素在低温下有效工作的能力,该结果证明了冷适应的分子机制。

科学家们普遍认为,蛋白质的异位调控主要是透过蛋白结构域的结合而使蛋白质传播的微小结构变化,而不是借由结构域展开。此外,他们也认为蛋白结构展开的波动会影响酵素的特性,但不会影响个体功能。该研究结果颠覆了科学界过去的认知,能在不改变蛋白质基态结构的情况下微调生物功能。然而,该研究仅用一种模型酵素进行测试,因此与其他冷适应酵素的作用机制以及相关性仍须进一步研究。

瑞典于默奥大学(Umeå University)Magnus Wolf-Watz 教授对此表示,以局部蛋白质结构作为一种调节酵素功能的方法,是一个新概念。史丹佛大学(Stanford University)分子演化专家 George N. Somero 博士则表示,该研究也提供了生物工程师一个全新的酵素修饰研究方向。

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参考资料:
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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