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《青岛能源所揭示洛伐他汀水解酶催化机制》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2020-02-17

  • 高血脂症是指血液中胆固醇、甘油三酯等脂类物质异常升高，可直接引起一些严重危害人体健康的疾病，通过降胆固醇药物调节血脂是目前预防和治疗高血脂症的有效方法。辛伐他汀（Zocor）是一种重要的降胆固醇药物，其工业生产包括三个步骤：土曲霉发酵生产洛伐他汀，碱水解洛伐他汀制备中间体monacolin J，化学或生物方法将monacolin J转化为辛伐他汀。但传统碱水解生产monacolin J工序相对复杂、成本昂贵且环境污染较大。使用特异且高效的洛伐他汀水解酶进行酶促合成是绿色生产monacolin J的可替代方法之一。

    　　青岛能源所吕雪峰研究员带领的微生物代谢工程研究组（http://mme.qibebt.ac.cn/）致力于他汀类降血脂药物的生物合成研究（Metab Eng. 2017； Biotechnol J. 2018；ACS Synth Biol. 2019）。近期，该研究组进一步揭示了高效特异洛伐他汀水解酶PcEST的催化机制及其结构-功能关系，相关工作发表在Journal of Biological Chemistry期刊上。

    　　研究人员成功解析了4个高分辨X射线晶体结构，包括PcEST单体蛋白，PcEST-monacolin J复合物、PcEST与底物类似物辛伐他汀的复合物、以及PcEST失活突变体S57A与底物洛伐他汀的复合物。基于结构分析，结合突变、质谱和ITC等多种生化分析方法，研究人员发现：Ser-57（亲核试剂）-Tyr-170（广义碱）-Lys-60（广义酸）催化三联体、活性位点周围的氢键网络和特定的底物结合通道共同决定了PcEST高效特异地水解洛伐他汀生成monacolin J，并回答了为什么PcEST能够高效特异地水解洛伐他汀而不能水解辛伐他汀。在此基础上，研究人员基于结构分析，进一步对PcEST进行了酶工程改造，成功设计改造获得了可溶性表达和热稳定性改善的PcEST突变体D106A。这些性质的改良意味着D106A突变体在monacolin J工业生产中可能具有更广阔的应用前景。

    　　这是首次描述洛伐他汀水解酶催化机理和结构-功能关系的报道，该研究成果为进一步的洛伐他汀水解酶的筛选、酶工程改造和工业应用提供了基础和理论指导。

    　　上述研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国科学院科技服务网络计划（STS计划）和山东省人才工程的共同资助。（文/图 梁雅静）

    　　原文链接：https://www.jbc.org/content/295/4/1047.full?sid=ef7355fd-94ac-4e04-9c10-4185b4252f95

    　　

    　　洛伐他汀水解酶PcEST高效特异地催化洛伐他汀水解，而不能水解辛伐他汀

    　　活性中心的关键残基用棍棒形式显示， 氢键网络用黑色虚线标示，参与构成PcEST 特定底物结合通道的区域用浅粉红色展示。

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  • 《青岛能源所等揭示CAST基因编辑系统的内源转录调控机制》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-03-08
    •  CRISPR-Cas基因编辑技术是颇具影响力的创新技术。当前已开发的CRISPR-Cas基因编辑工具多依赖于靶点DNA双链切割，并需要借助宿主自身的同源重组或者非同源末端连接DNA修复系统实现基因编辑，而脱靶效应和编辑效率低是瓶颈，阻碍了该技术在人类疾病治疗等领域的应用。开发更高效精准的且无需DNA双链断裂的基因编辑工具是这一领域亟待解决的科学问题。   V-K型CRISPR相关转座酶（CRISPR-associated transposases，CAST）系统可借助转座机制而非DNA双链断裂实现基因的靶向整合插入，在精准、多重、无痕编辑以及大片段删除、插入等方向表现出应用潜力，引起领域内多个顶尖团队的重点关注，但研究方向局限于其基因编辑能力的应用探索和核心组分蛋白结构的解析，而对其内源调控机理知之甚少。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所与德国弗莱堡大学合作，证实CAST系统在原生宿主蓝细菌中受控于一类新型MerR-type转录调控因子CvkR（Cas V-K repressors）。该研究对CAST系统原型工作模式的认知和基因编辑工具的开发优化具有重要意义。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。   CRISPR-Cas是原核生物中分布广泛的一类免疫防御系统，可以攻击入侵的病毒与质粒等外源遗传元件，保护宿主细胞。转座子则是可移动的遗传因子，能够在物种基因组上“跳跃”。 因此，前者保持基因组的完整性，后者则破坏基因组的完整性，两者是“天敌”。而CAST是上述防御和进攻元件的兼容系统，是生命进化史上“敌对势力”之间携手合作的典型案例，这一“化敌为友”的实现，即由转录调控因子CvkR来“协调”完成。   蓝细菌是地球上最古老的生命形式之一，包含丰富多样的CRISPR-Cas系统。本研究选择了一类可以进行遗传操作的丝状蓝细菌鱼腥藻PCC 7120（Anabaena sp. PCC 7120）作为研究模式。该藻株基因组上至少包含11种CRISPR元件，其CAST系统（AnCAST）涵盖一个长约21 kb的基因簇，包含CRISPR模块（cas12k、CRISPR array、tracrRNA、crRNA）、Tn7转座模块（tnsB、tnsC、tniQ）和运载基因模块三个组分（图1）。CAST系统的工作原理是由Cas12k效应蛋白和转座酶协同作用来催化RNA指导的DNA转座，可实现在protospacer下游单向插入DNA。   本研究立足AnCAST，基于全局性生物信息学分析，证实cvkR基因广泛存在于蓝细菌CAST系统，与cas12k邻近且反向排布。研究通过遗传学分析发现，该系统的基因表达具备一个鲜明特征即cas12k和cvkR均转录形成无5'-非翻译区（5'-UTR）的leaderless mRNA，并证实CvkR在原生宿主中抑制CAST核心组分cas12k、tnsB和tracrRNA-crRNA的表达，是AnCAST的转录抑制因子。本研究进一步借助生化实验，鉴定了CvkR转录因子特异性识别的核心motif（5'-AnnACATnATGTnnT-3’），解析了CvkR靶标启动子的序列特征（图2）。   为了进一步探讨CvkR转录调控因子的作用机制，该工作获得了1.6埃分辨率的CvkR晶体结构。研究证实该因子在溶液中以二聚体形式存在，具备典型MerR家族转录因子的基本特征（DNA结合结构域、二聚化结构域和效应物结合结构域），但其二聚化和效应物结合结构域的结构折叠模式均与结构已知MerR家族成员差别显著，是一类非常新颖的MerR-type转录调控因子。此外，科研人员基于定点突变和系列生化实验，初步鉴定了CvkR蛋白参与结合DNA的关键氨基酸残基（图3）。     综上，该工作解析了AnCAST系统的内源转录调控机制，鉴定了一个新型MerR-type转录调控因子CvkR，并发现其对CAST系统关键组分的表达起到核心调控作用。本研究为未来新型位点特异性转座型基因编辑工具的开发奠定了重要的理论基础。研究工作得到国家重点研发计划、中德国际（地区）合作与交流项目、国家自然科学基金、青岛能源所科研创新基金等的支持。
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  • 《青岛能源所等揭示植物DNA损伤调控新机制》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2022-12-07
    •   DNA是生物体遗传信息的载体，是正常生长、发育和繁衍所需的遗传模板，对于维持DNA的完整性和稳定性至关重要。紫外线、辐射和环境污染等引起的DNA损伤影响人和动物的衰老，或导致疾病乃至癌症。对植物而言，外界环境因子，如土壤盐碱、重金属、电离辐射、紫外线、洪涝等胁迫，同样会导致DNA损伤，影响植物生长发育甚至对作物生产造成危害。然而，DNA损伤响应及修复的机制在动物和植物中不完全相同，且在植物中的研究较为滞后。调控植物DNA损伤及其修复的机制的研究，对于增强作物抗性、提高生物产量具有重要的生物学意义。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员李胜军带领的能源植物改良与利用研究组，揭示了MAC5A和26S蛋白酶体协同调控植物DNA损伤响应（DDR）进而影响植物生长发育及适应高硼胁迫的新机制。相关研究成果发表在《植物生理》（Plant Physiology）上。   MOS4-associated complex（MAC）复合体参与植物的生长发育、胁迫响应、pre-mRNA可变剪切和miRNA生物合成等生物学过程。MAC5是MAC复合体的一个附属亚基，其功能完全丧失后导致严重的发育缺陷和胚胎致死。此前，研究团队提出，MAC5通过调控pri-miRNA的稳定性影响miRNA的积累（Li et al., PNAS 2020），但MAC5在植物体内的其他生物学功能尚不完全清楚。         研究发现，MAC5A缺失突变体mac5a对甲基磺酸甲酯（MMS，一种DNA损伤诱导剂）的处理更加敏感，表现出主根生长抑制、真叶叶原基发育延缓等表型。RNA-seq分析发现，MAC5A缺失导致DDR相关基因的表达及pre-mRNA的可变剪切发生变化。进一步，研究通过IP-MS质谱分析鉴定到多个26S蛋白酶体亚基与MAC5A互作；通过生化和遗传分析进一步验证了MAC5A与26S蛋白酶体关键亚基RPN1A和RPT2A之间的互作关系。MAC5A调控26S蛋白酶体的活性，同时26S蛋白酶体也影响MAC5A蛋白的降解。此外，土壤中高浓度的硼影响作物的产量和品质，其中主要原因之一是高硼胁迫导致植物DNA损伤。研究表明，MAC复合体的多个核心亚基和26S蛋白酶体均参与高硼诱导的DNA损伤响应过程。该研究揭示了MAC复合体和26S蛋白酶体协同调控植物DDR过程的分子机制。   研究工作得到国家自然科学基金面上项目、山东能源研究院创新基金、山东省、中国科学院、中国博士后科学基金等的支持。美国内布拉斯加大学林肯分校、河南大学、西南大学的科研人员参与研究。   植物的生长发育与环境适应能力受到RNA的转录及转录后调控，故揭示调控植物生长、抗逆的分子基础，有助于作物尤其是能源作物的遗传改良。截至目前，该团队在RNA转录后加工领域取得了系列进展，揭示了MAC复合体附属亚基MAC5（Li et al., PNAS 2020）、MAC复合体核心亚基MAC3（Li et al., Plant Cell 2018）、DEAD-box RNA螺旋酶SMA1（Li et al., Nucleic Acids Research 2018）调控植物生长发育和miRNA合成代谢的生物学机制。
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