近日，Nature子刊Nature Communications以article形式在线发表中国科学院海洋研究所马庆军课题组关于弧菌毒力因子通过结构重塑实现双重宽泛性催化的最新成果，对深入理解酶宽泛性催化的分子机制具有重要意义，是对现有酶催化知识体系的重要扩展。
尽管在教科书中常把催化专一性作为酶的基本特征之一，但近年来发现很多酶可以通过一个活性位点催化多种底物，甚至催化不同类型的化学反应。前者称为酶的底物宽泛性（substrate promiscuity），后者称为酶的催化反应宽泛性(catalytic promiscuity)。 目前，对于酶宽泛性催化的分子基础知之甚少。
弧菌是海洋中一种常见病原菌，包括霍乱、创伤、副溶血和溶藻弧菌等，严重威胁人类健康和水产养殖业的发展。弧菌双重脂酶/转移酶（Vibrio Dual Lipase/Transferase：VDLT），也称为热不稳定溶血素（Thermolabile Hemolysin， TLH），是弧菌分泌的毒力因子，可以催化多种脂类底物，表现出磷脂酶A1/A2、酯酶以及胆固醇转移酶活性，因此该酶既具有底物宽泛性又具有催化反应宽泛性。在前期研究中，该团队解析了第一个VDLT结构（创伤弧菌VvPlpA），不但发现了一个有趣的丝氨酸-组氨酸-氯离子组成的催化三联体（JBC封面文章, 2019），同时发现其氧阴离子洞呈现出失活构象，而且底物结合口袋也处于封闭状态，说明VDLT具有一定的结构柔性并在催化过程中发生构象变化。但由于缺乏底物结合状态的结构信息，VDLT如何实现宽泛性催化的分子机制尚不清晰。
在新的研究中，该团队报道了溶藻弧菌VDLT（ValDLT）单独以及结合多种配体的复合物结构，为VDLT宽泛性催化的分子机制提供了新见解。ValDLT的整体结构与VvPlpA相似，但采用了经典Ser-His-Asp三联体催化装置。无配体结合时，ValDLT的柔性“盖子”覆盖在底物结合口袋上，呈现动态变化的无序构象。非常有趣的是，参与形成催化位点氧阴离子洞的两个氨基酸残基就位于柔性盖子上，因此ValDLT采用了一个独特的柔性氧阴离子洞+刚性Ser-His-Asp三联体的催化装置。而在与脂肪酸配体结合时，活性位点会发生从无序到有序的构象变化，令人惊奇的是，这些构象变化呈现出底物依赖性，表明ValDLT可能通过不同的构象变化途径来催化不同底物，而且这种构象变化可能也调制了其脂酶和转移酶活性的平衡。氧阴离子洞的结构微扰实验表明，VDLT的催化位点柔性是其适应宽泛性催化的一个显著结构特征。综合结构与酶学实验证据，作者提出催化位点微调机制（catalytic site tuning mechanism）是VDLT实现双重宽泛性催化的分子基础。
虽然酶利用结构柔性实现宽泛性催化的案例也曾有报道，但柔性变化的部分一般都只限于结合位点，在催化位点发生形变的案例非常罕见。整体上看，该研究为酶在催化位点展现柔性的情形提供了典型案例，指出了催化位点的结构柔性在酶宽泛性催化中的重要作用，拓展了酶宽泛性催化的分子基础，对脂酶的工业化改造也有指导作用。该研究成果也为以VDLT为靶标的抗毒力疗法提供了精细的结构信息，对弧菌病的防治具有积极意义。
中国科学院海洋研究所博士研究生王崇洋为论文第一作者，马庆军研究员为论文通讯作者。研究得到国家人才计划、中国科学院人才计划、青岛市人才基金等支持，以及中国海洋大学万升标老师的支持。
相关成果：
Wan, Y., Liu, C. & Ma, Q. Structural analysis of a Vibrio phospholipase reveals an unusual Ser-His-chloride catalytic triad. J Biol Chem 294, 11391-11401 (2019). doi:10.1074/jbc.RA119.008280
Wang, C., Liu, C., Zhu, X. et al. Catalytic site flexibility facilitates the substrate and catalytic promiscuity of Vibrio dual lipase/transferase. Nat Commun 14, 4795 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40455-y
