[交大智慧]生命科學技術學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構
          發布時間 :2021-02-08  閱讀次數 :613

          近日,上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室鄧子新團隊于《自然通訊》(Nature Communications)雜志上發表題為 “洛伐他汀生物合成的結構基礎”(Structural basis for the biosynthesis of lovastatin)的研究論文。該工作通過結構生物學與生物化學相結合的手段,解析了洛伐他汀合成機器的三維結構,深入推動次生代謝巨型合酶的結構研究,為衍生新型他汀類藥物提供蛋白結構基礎。

           

          他汀類化合物是目前臨床應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含有連續的七個結構域,經過9輪循環, 催化約35步生化反應。在催化過程中,LovB變換自身結構域的使用組合方式, 在各輪循環中對中間產物進行不同程度的修飾;起“把關”作用的LovC與LovB形成蛋白質復合物, 確保終產物DML的正確合成。然而,高分辨率LovBC復合物結構信息的缺乏,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行其催化功能? LovC與LovB 之間如何形成相互作用關系?

          針對上述關鍵性問題,鄧子新院士團隊通過冷凍電子顯微鏡單顆粒分析技術,成功解析2.91 ?的LovB和3.60 ?分辨率的LovBC蛋白復合物的結構(圖1)。作為第一個天然產物合成的完整解析的HR-iPKS機器, LovBC復合物呈現面對面的 “X” 形二體構架,LovB各催化結構域與反式作用的LovC活性位點之間組成左右兩側 “L” 型的完整催化腔體。針對LovB各催化結構域深入分析,首次觀察到二體KS結構域之間與已知的聚酮合酶結構不同的中斷式底物通道,該構象可能作為開關門,在催化過程中與其他結構域共同協調控制其催化反應。 二體DH結構域呈現 “V” 形,KR結構域具有較窄的底物進入入口,完整的CMeT結構域輔因子SAM結合口袋清晰可見。   

          圖1  LovBC復合物的整體構架

          LovC在洛伐他汀合成過程中起關鍵性 “把關” 功能。研究團隊以LovBC復合物的冷凍電鏡密度圖為基礎, 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,首次在蛋白質結構層面論證LovBC復合物完整催化腔體對終產物正確合成的必要性(圖2)。

           

          圖2  LovB與LovC的相互作用是合成DML的必要條件

          對于該蛋白完整結構的首次捕獲,為天然產物迭代式聚酮合酶家族提供二體寡聚狀態的催化模式。 各催化結構域的分子細節,說明其編程式的催化機制依賴于底物通道對聚酮中間產物的特異性識別。關鍵的LovC與LovB相互作用界面,則為理性置換修飾結構域的組合生物合成提供結構模板,為工程化改造LovBC復合物、進而衍生新型他汀類藥物提供有力的結構依據。

          上海交通大學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、國家蛋白質科學中心(上海)孔亮亮、彭超、蘇晨老師參與了該項工作。南方科技大學冷凍電鏡中心王培毅教授、清華大學冷凍電鏡平臺李丹陽老師、國家蛋白質中心劉娜、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支持。上海交通大學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重點專項、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)、國家自然科學基金的經費支持。

          文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21174-8.pdf

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