[交大智慧]上海交大吳更團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌DNA硫化修飾研究方面取得新進(jìn)展
時(shí)間：2021-04-09 06:15:02學(xué)院：生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)校：上海交通大學(xué)
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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳更教授與武漢大學(xué)王連榮、陳實(shí)教授團(tuán)隊(duì)合作，揭示了細(xì)菌DNA硫化修飾中催化第一步反應(yīng)的半胱氨酸脫硫酶發(fā)生構(gòu)象變化，使其活性位點(diǎn)半胱氨酸朝向底物半胱氨酸移動(dòng)5.5埃以發(fā)起攻擊的催化機(jī)制。最新研究成果以“Structural Analysis of an L-Cysteine Desulfurase from an Ssp DNA Phosphorothioation System”為題發(fā)表在《mBio》雜志上。劉立瓊等為第一作者，吳更、王連榮為通訊作者，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。本文是團(tuán)隊(duì)自2018年Nature Communications上發(fā)表的細(xì)菌采用SBD結(jié)構(gòu)域識(shí)別硫化修飾DNA的結(jié)構(gòu)機(jī)理及2020年Nature Microbiology上發(fā)表的II型DNA硫化修飾系統(tǒng)的SspB、SspE晶體結(jié)構(gòu)的延續(xù)和擴(kuò)展。
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在細(xì)菌的DNA硫化修飾（不管是早先發(fā)現(xiàn)的Dnd修飾系統(tǒng)還是新近發(fā)現(xiàn)的Ssp修飾系統(tǒng)）途徑中，都由一個(gè)半胱氨酸脫硫酶催化第一步的反應(yīng)，即半胱氨酸脫硫酶的活性位點(diǎn)半胱氨酸對(duì)底物半胱氨酸上的硫原子發(fā)起親核攻擊反應(yīng)，將活化的硫原子轉(zhuǎn)移到半胱氨酸脫硫酶的活性位點(diǎn)半胱氨酸上，以進(jìn)行后續(xù)的將硫原子加進(jìn)DNA的反應(yīng)。
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本研究解析了新發(fā)現(xiàn)的II型DNA硫化修飾系統(tǒng)中的半胱氨酸脫硫酶SspA（來(lái)源于弧菌）與底物半胱氨酸的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，分辨率為1.8埃。結(jié)構(gòu)揭示SspA通過(guò)其天冬酰胺N150和精氨酸R340殘基來(lái)識(shí)別底物半胱氨酸，如果將這兩個(gè)殘基突變則會(huì)嚴(yán)重破壞細(xì)菌的DNA硫化修飾。在結(jié)構(gòu)中，SspA的活性位點(diǎn)半胱氨酸C314與底物半胱氨酸的距離長(zhǎng)達(dá)8.9埃，這就產(chǎn)生了一個(gè)有趣的問(wèn)題——SspA是怎么催化脫硫反應(yīng)的？通過(guò)計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬，作者發(fā)現(xiàn)SspA的活性位點(diǎn)半胱氨酸C314在催化過(guò)程中向底物半胱氨酸移動(dòng)了5.5埃，從而把它們之間的距離縮短到便于發(fā)生反應(yīng)的范圍內(nèi)。本研究通過(guò)簡(jiǎn)正模式分析，發(fā)現(xiàn)弧菌的SspA、大腸桿菌的IscS、鏈霉菌的DndA（這兩個(gè)都是I型DNA硫化修飾系統(tǒng)的）的活性位點(diǎn)半胱氨酸雖然處在不同的相對(duì)位置和不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)上，但都有著向各自的底物半胱氨酸的運(yùn)動(dòng)。
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本研究進(jìn)一步通過(guò)在上海光源BL19U2生物小角X射線散射（簡(jiǎn)稱SAXS）線站收集的數(shù)據(jù)，從頭搭建了SspA在溶液中結(jié)構(gòu)的分子模型。發(fā)現(xiàn)SspA在溶液中的結(jié)構(gòu)與分子動(dòng)力學(xué)模擬后SspA的結(jié)構(gòu)更為接近，它們之間的SAXS數(shù)據(jù)的χ2偏差只有1.04埃，遠(yuǎn)低于從SspA的晶體結(jié)構(gòu)推算出的SAXS數(shù)據(jù)之間的χ2偏差3.70埃。這從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了前述的計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬和簡(jiǎn)正模式分析的結(jié)果。
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弧菌SspA的活性位點(diǎn)半胱氨酸在催化過(guò)程中，活性位點(diǎn)半胱氨酸朝向底物半胱氨酸移動(dòng)了5.5埃的距離
（A）分子動(dòng)力學(xué)模擬??（B）簡(jiǎn)正模式分析??
（C）小角X射線散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬后的結(jié)果和晶體結(jié)構(gòu)的比較
? ? ? 本研究通過(guò)X射線晶體結(jié)構(gòu)解析、分子動(dòng)力學(xué)模擬、小角X射線散射等多種研究手段的結(jié)合，揭示了細(xì)菌DNA硫化修飾這一神奇現(xiàn)象中催化關(guān)鍵的第一步半胱氨酸底物脫硫反應(yīng)的酶的催化機(jī)理，解答了半胱氨酸脫硫酶家族是如何克服活性位點(diǎn)半胱氨酸與底物半胱氨酸之間很長(zhǎng)的距離這一長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題，使人們對(duì)于細(xì)菌DNA硫化修飾的認(rèn)識(shí)和理解又前進(jìn)了一步。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金（31872627、31670106）的支持。
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