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馮友軍課題組Nat Commun發文在生物素代謝研究中取得新進展

來源 : 基礎醫學系    發布時間 : 2021-04-08    瀏覽次數 : 1334

202146日,加拿大pc馮友軍課題組與福建師范大學歐陽松應教授合作,在細菌脂肪酸C7衍生物--生物素的合成機制方面取得了新進展,在Nat Commun雜志發表題為“Biochemical and structural characterization of the BioZ enzyme engaged in bacterial biotin synthesis pathway”的研究長文。

生物素(維生素H或輔酶R),結構上屬于一類具有7個碳原子骨架的含硫脂肪酸衍生物。在生物體內,生物素多以蛋白修飾的形式存在,參與糖、蛋白質和脂肪酸在內的系列重要代謝過程。從能量消耗的角度而言,生物素亦是一類高耗能的生物小分子,因此其合成途徑通常受到精密的調控。這一點,在分枝桿菌的研究中得到了證實。該課題組揭示了BioQ執行蛋白所負責的生物素感應機制(MM,2014a & MM,2018)。通常而言,只有植物、真菌和一些細菌(包括病原細菌)具備生物素的合成能力,而哺乳動物在進化中喪失了該能力,只能依賴腸道菌群的從頭合成或從食物中攝取該微營養因子。鑒于病原細菌的生物素代謝過程對其致病機制至關重要,近年來“生物素作為限制性/營養性毒力因子這一科學假說得到了學術界的廣泛認同。在結核分枝桿菌領域,生物素代謝已被發展為一個潛在的抗TB靶標。因此,生物素代謝的機制研究,將為緩解當下病原菌的多重耐藥/泛耐藥的這一嚴峻形勢提供獨特視角/解決方案(1)

1: 生物素代謝與細菌毒力

細菌的生物素代謝途徑可劃分為三個步驟/階段: 轉運/吸收、從頭合成與利用(1)。在上億年的進化過程中,微生物世界的生物素合成能力/方式表現出一定的分化態勢。生物素合成的晚期步驟相對保守,皆由BioF/BioA/BioD/BioB4個酶依次催化完成。然而,不同細菌在生物素合成過程中,其執行早期步驟的酶系卻表現出一定的差異性/多樣性。以大腸桿菌為例,生物素從頭合成系采用“BioC-BioH”途徑合成其庚二酸單酰-ACP”前體分子。在芽孢桿菌中,則進化了完全不一樣的“BioI-BioW”途徑用于生成庚二酸單酰-輔酶A”這一前體分子(1)。此外,不同細菌亦可能編碼BioH的同工酶。馮友軍課題組曾率先報了弗朗西斯細菌BioJBioH的同工酶,并與細菌成功定植密切相關(MM,2014b)。該課題組還發現弗朗西斯細菌的2個生物素連接酶Bpl & BirA的分工不同: BirA 僅參與生物素的合成控制調節,而Bpl負責生物素化修飾并參與細菌的致病機制(MM,2015)。通過與歐陽松應教授合作,課題組進一步闡明了BioJ去甲基化酶的分子與生化基礎(iScience,2019)。

2: 變形菌屬BioBFDA/Z生物素合成基因簇的功能表征

a.  BioBFDA的基因環境;b-d. Bio基因簇與生物素合成相關

在對布魯氏菌/農桿菌為代表的α-變形細菌的代謝研究中,馮友軍博士曾率先闡明了一套獨特的生物素感應機制,即“BirA-BioR”二元系統(MM,2013 & JB,2013)α-變形細菌盡管具有生物素合成能力,但其基因組既不攜帶“BioC-BioH”途徑,也不編碼“BioI-BioW”通路。部分變形細菌卻進化了一個獨特的BioBFDA/Z基因簇(圖2),且該基因簇受到“BirA-BioR”二元系統的負調控。其中,BioZ乃歸屬于β-酮酰基-ACP縮合酶家族。這提示BioZ很可能代表了一類以前未知的生物素前體分子庚二酸合成機制”。通過系統進化分析,指出了BioZ系源自于脂肪酸合成酶大家族的FabH分支;利用結構生物學手段獲得了其高分辨率的晶體結構(圖3),并探明了BioZ酶活性功能域/底物結合口袋的結構基礎;整合生物化學與化學生物學等研究手段,闡明了BioZ直接縮合戊二酸-輔酶A與丙二酸單酰-ACP2種底物,生成5-酮基-庚二酸單酰-ACP的酶學催化機制。該底物分子通過一輪FASII脂肪酸循環轉變成較為穩定的庚二酸單酰-ACP,進而進入生物素的晚期合成途徑(圖3)。

3: BioZ代表了生物素合成的第三類機制

a. BioZ生物素合成途徑的工作模型; b. BioZ的晶體結構;c.生物素合成前體分子庚二酸單酰ACP的結構示意圖

值得注意的是,該研究提出了BioZ這一縮合酶進化了3個獨特的功能性氨基酸殘基(S84,R147&S287),并推測其主要負責中和戊二酸輔酶A這一非尋常底物分子的自由極性羧基(圖4)。同期,美國Cronan教授研究組通過大量遺傳學研究亦夯實了BioZ參與構成生物素合成通路,同時指出了戊二酸-輔酶A生理上源自于細菌的賴氨酸水解過程。這2項在Nat Commun發表的獨立研究不僅回答了BioZ為何可以規避/取代經典的生物素合成的前期步驟,而且代表了第三類生物素前體庚二酸分子的合成途徑

4: 底物分子戊二酸輔酶A極性羧基的中和分析

a. 底物戊二酸輔酶A的結合口袋分析;b. 戊二酸輔酶A極性羧基的BioZ中和氨基酸的保守性分析;c-d. BioZ中和氨基酸的功能分析

 

 

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