[交大智慧]生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄧子新團隊揭示合成降膽固醇藥洛伐他汀合成機器的三維結(jié)構(gòu)
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點實驗室鄧子新團隊于《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表題為?“洛伐他汀生物合成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural basis for the biosynthesis of lovastatin）的研究論文。該工作通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生物化學(xué)相結(jié)合的手段，解析了洛伐他汀合成機器的三維結(jié)構(gòu)，深入推動次生代謝巨型合酶的結(jié)構(gòu)研究，為衍生新型他汀類藥物提供蛋白結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
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他汀類化合物是目前臨床應(yīng)用中十分重要的降膽固醇藥物, 通過特異性抑制膽固醇合成途徑限速步驟中的HMG-CoA還原酶，降低膽固醇的合成水平。洛伐他汀連續(xù)多年銷售額超百億美元，是防治動脈粥樣硬化和心血管疾病的有效藥物。
二氫莫納可林 L（DML）作為洛伐他汀的母核，由高度還原型迭代式聚酮合酶?(HR-iPKS) LovB, 以及反式作用的烯?；€原酶LovC共同合成。單體分子量為335 kDa的LovB含有連續(xù)的七個結(jié)構(gòu)域，經(jīng)過9輪循環(huán), 催化約35步生化反應(yīng)。在催化過程中，LovB變換自身結(jié)構(gòu)域的使用組合方式, 在各輪循環(huán)中對中間產(chǎn)物進行不同程度的修飾；起“把關(guān)”作用的LovC與LovB形成蛋白質(zhì)復(fù)合物, 確保終產(chǎn)物DML的正確合成。然而，高分辨率LovBC復(fù)合物結(jié)構(gòu)信息的缺乏，障礙了人們進一步理解該巨型合酶的催化機制。例如，LovB如何迭代且編程式的執(zhí)行其催化功能？?LovC與LovB 之間如何形成相互作用關(guān)系？
針對上述關(guān)鍵性問題，鄧子新院士團隊通過冷凍電子顯微鏡單顆粒分析技術(shù)，成功解析2.91 ?的LovB和3.60 ?分辨率的LovBC蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)（圖1）。作為第一個天然產(chǎn)物合成的完整解析的HR-iPKS機器，?LovBC復(fù)合物呈現(xiàn)面對面的?“X” 形二體構(gòu)架，LovB各催化結(jié)構(gòu)域與反式作用的LovC活性位點之間組成左右兩側(cè)?“L” 型的完整催化腔體。針對LovB各催化結(jié)構(gòu)域深入分析，首次觀察到二體KS結(jié)構(gòu)域之間與已知的聚酮合酶結(jié)構(gòu)不同的中斷式底物通道，該構(gòu)象可能作為開關(guān)門，在催化過程中與其他結(jié)構(gòu)域共同協(xié)調(diào)控制其催化反應(yīng)。?二體DH結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)?“V” 形，KR結(jié)構(gòu)域具有較窄的底物進入入口，完整的CMeT結(jié)構(gòu)域輔因子SAM結(jié)合口袋清晰可見。 ??
圖1 ?LovBC復(fù)合物的整體構(gòu)架
LovC在洛伐他汀合成過程中起關(guān)鍵性?“把關(guān)” 功能。研究團隊以LovBC復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖為基礎(chǔ)，?通過計算機對接模擬實驗，精確解析LovB-LovC之間的相互作用界面。 通過對雙界面的點突變實驗及突變后正確底物DML消失的觀察，首次在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層面論證LovBC復(fù)合物完整催化腔體對終產(chǎn)物正確合成的必要性（圖2）。
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圖2 ?LovB與LovC的相互作用是合成DML的必要條件
對于該蛋白完整結(jié)構(gòu)的首次捕獲，為天然產(chǎn)物迭代式聚酮合酶家族提供二體寡聚狀態(tài)的催化模式。 各催化結(jié)構(gòu)域的分子細(xì)節(jié)，說明其編程式的催化機制依賴于底物通道對聚酮中間產(chǎn)物的特異性識別。關(guān)鍵的LovC與LovB相互作用界面，則為理性置換修飾結(jié)構(gòu)域的組合生物合成提供結(jié)構(gòu)模板，為工程化改造LovBC復(fù)合物、進而衍生新型他汀類藥物提供有力的結(jié)構(gòu)依據(jù)。
上海交通大學(xué)博士生王嘉良和副研究員梁晶丹為該論文共同第一作者，鄧子新教授和汪志軍副研究員為共同通訊作者。美國加州大學(xué)洛杉磯分校?(UCLA) 唐奕教授、上海交大碩士生陳璐、交大生科院儀器平臺張薇老師、國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）孔亮亮、彭超、蘇晨老師參與了該項工作。南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心王培毅教授、清華大學(xué)冷凍電鏡平臺李丹陽老師、國家蛋白質(zhì)中心劉娜、劉智、袁青寧、王芳芳、辛立輝、李光一、段佳琳等老師提供了技術(shù)支持。上海交通大學(xué)超算中心程盛淦老師及π 2.0集群提供了平臺支持。
該研究得到了合成生物學(xué)重點專項、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學(xué)基金的經(jīng)費支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21174-8.pdf
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