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杨茂君教授团队揭示人源线粒体内成链状丝氨酸蛋白酶LACTB成链结构与其催化活性关系
2022/03/16 674

LACTB蛋白(β-内酰胺酶状丝氨酸蛋白酶)是一种位于线粒体内部的丝氨酸蛋白酶,且在各种哺乳动物组织中广泛表达。在线粒体中,LACTB蛋白可以自发形成多聚体,从而以链状的形态广泛地存在于线粒体内外膜间隙中,以保持线粒体的形态正常。根据近年来许多文献报道指出,LACTB蛋白的表达异常与多种生物学过程相关,其中包括脂质代谢、炎症反应、神经退行性疾病、各类肿瘤的发生与抑制等[1]。然而,LACTB蛋白的具体成链状结构,以及其与功能之间的关系在很大程度上还是未知的。因此,LACTB蛋白结构的解析可以为其生理功能的研究提供新的切入点。

2022年3月5日,清华大学生命科学学院、结构生物学高精尖创新中心杨茂君教授研究团队在《Structure》杂志发表题为Structural basis for the catalytic activity of filamentous human Serine beta-lactamase-like protein LACTB的研究论文。该研究首次报道了人源线粒体内形成类似DNA双螺旋结构的链状丝氨酸蛋白酶LACTB野生型、截短体及抑制剂结合状态的高分辨率结构(对应为3.0埃,3.1埃以及2.8埃分辨率),并通过进一步的结构分析及相应的酶活实验,深入探究了其LACTB蛋白各区域序列及其多聚体聚合形式与其酶催化活性之间的关系。

图1 LACTB成链状结构及其与酶活关系

本次研究中解析的LACTB野生型蛋白链状结构为与DNA结构高度相似的双螺旋链状结构,其中,位于不同LACTB单体蛋白之间的三种相互作用界面共同维持了其链状的双螺旋结构。破坏LACTB蛋白单体之间地相互作用界面会导致该蛋白酶活中心正电平面的强化过程被抑制或底物/产物的潜在通道被破环,从而进一步影响该蛋白的酶反应动力学常数。针对LACTB蛋白与抑制剂结合状态的结构研究发现,抑制剂Z-AAD-CMK通过其天冬氨酸羰基碳与LACTB蛋白的164位丝氨酸侧链羟基氧共价连接。此外,多种与抑制剂中天冬氨酸产生氢键相互作用的氨基酸位点可能与LACTB蛋白对底物的识别有关。

针对LACTB蛋白链状结构的进一步分析表明,该蛋白中间区域的密度由于其自身灵活性的影响而很难被获取。通过对LACTB截短体蛋白的结构解析,我们发现中间区域缺失的LACTB截短体蛋白仍可保持基本的PBP-βLs结构形式不变,并且其形成多聚的形式并没有太大的变化。后续的功能实验研究发现,LACTB截短体蛋白对其底物Ac-YVAD-AMC多肽的水解活性丧失。这部分研究工作表明LACTB蛋白的中间区域在PBP-βLs结构域的维持及多聚成链的过程中发挥的作用不大,但其在LACTB蛋白发挥底物水解功能时起到了至关重要的作用。

该研究对于理解LACTB蛋白多聚链状结构与其酶活功能之间的关系具有重要意义,为后续LACTB蛋白相关疾病的致病机理研究铺平了道路,并为今后治疗与该蛋白相关的癌症提供了线索及为药物设计靶点提供了重要依据。

杨茂君教授研究组长期致力于线粒体相关蛋白的结构与功能以及相关靶向药物的开发设计研究,此前在Nature (2012;2016)、Cell (2016;2017)、Protein Cell (2016;2018;2020a;2020b)、PCCP (2017)、JMC (2017)、Phys Chem Chem Phys (2018)、Cell Research (2018)、Science (2019)、Cell Discovery (2020;2021)及NSMB (2022)等杂志连续报道了多篇线粒体相关蛋白结构及相关药物开发研究结果,为治疗线粒体异常疾病提供了坚实的基础。值得一提的是,本论文所描述的这个结构张铭辉同学在几年前就解析了出来,一直没有发表主要是因为这个蛋白的异常会引起线粒体的剧烈氧化应激反应,进而导致各种细胞癌变,其与各种常见癌症的发生密切相关(见原文图7),此外在神经细胞内的异常累积会引起各种神经退行性疾病的发生,因此,以此蛋白为靶标的药物可以很好的治疗乃至治愈绝大多数癌症及各类神经退行性疾病。

清华大学生命科学学院张铭晖(15级博士生)、张来幸(博士后)、郭润域(结构生物学高精尖创新中心卓越学者、清华大学水木学者)、肖淳(19级博士生)和北京化工大学生命科学与技术学院尹健(19级硕士生)是此篇论文的共同第一作者,清华大学生命科学学院、结构生物学高精尖创新中心杨茂君(教授)及张森森(博士后、结构生物学高精尖创新中心卓越学者)为论文共同通讯作者。本工作获得清华大学结构生物学高精尖创新中心、北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心、国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金、国家自然科学基金的大力支持。

原文链接:https://authors.elsevier.com/a/1ehF%7E3SNvc2z4k

转载链接:http://www.icsb.tsinghua.edu.cn/index.php?c=show&id=1092

1. Keckesova, Z., et al., LACTB is a tumour suppressor that modulates lipid metabolism and cell state. Nature, 2017. 543(7647): p. 681-686.

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