Science：光敏酶-实现体外控制酶活性神话

　　

生物通报道，宾夕法尼亚州立大学化学系、德克萨斯州立大学西南分校医学院系统生物与药理学系的科学家通过调整两种蛋白的结构，构建了一种对光敏感的蛋白，可实现从外部依靠光线控制蛋白的活性。相关成果发表在10月17日的Science杂志上。

 

研究者通过大量的天然蛋白结构与活性的统计分析发现，蛋白可通过结构网络实现远程控制功能，别构蛋白可远程控制其他的蛋白活性。蛋白与蛋白通过表面的结构连接起来，一个蛋白可通过另外一个蛋白的结构改变而改变自身的活性。

 

 

为了验证这一理论，Rama Ranganathan带领的研究小组创造了一种嵌合体蛋白复合物。将来自燕麦的光信号感受蛋白Per/Arnt/Sim (PAS)连接到大肠杆菌的二氢叶酸还原酶（DHFR）上，称为PAS-DHFR嵌合蛋白复合体。结果研究者发现，酶的活性可受光敏感蛋白控制，PAS蛋白与DHFR的连接部位的结构就是控制DHFR酶的开关。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图片说明：sensor（蓝色）即为光敏蛋白，将其插入大肠杆菌的酶中，当光线（stimulus）激发光敏蛋白时，酶的活性增加（output）。（图片来源：Benkovic lab, Penn State）

 

就像电灯的开关一样，当把光照射在光敏感蛋白上时，光的能量似乎就传递到DHFR酶上，酶的活性增加；而当光能下降时，DHFR酶的活性降低。

 

研究者表示，这种工程蛋白的设计有两个关键的问题，一个是蛋白的构象，错误的构象将导致光能无法传递，导致光敏蛋白无法控制效应酶的活性。另一个是，光敏感蛋白与效应酶的结合位点，位点构建错误同样无法起控制作用。

 

研究小组还将深入研究光控制酶活性的机制。这一成果可能用于疾病控制，比如关闭某种失控的癌症相关酶的活性等。

 

原文摘要：Surface Sites for Engineering Allosteric Control in Proteins

 

【Abstract】

Statistical analyses of protein families reveal networks of coevolving amino acids that functionally link distantly positioned functional surfaces. Such linkages suggest a concept for engineering allosteric control into proteins: The intramolecular networks of two proteins could be joined across their surface sites such that the activity of one protein might control the activity of the other. We tested this idea by creating PAS-DHFR, a designed chimeric protein that connects a light-sensing signaling domain from a plant member of the Per/Arnt/Sim (PAS) family of proteins with Escherichia coli dihydrofolate reductase (DHFR). With no optimization, PAS-DHFR exhibited light-dependent catalytic activity that depended on the site of connection and on known signaling mechanisms in both proteins. PAS-DHFR serves as a proof of concept for engineering regulatory activities into proteins through interface design at conserved allosteric sites.