施一公最新《自然》解析重要新机制

【字体: 时间:2008年03月12日 来源:生物通

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  来自普林斯顿大学Lewis Thomas实验室(Lewis Thomas Laboratory)分子生物学系,生态与进化生物学系,洛克菲勒大学分子神经生物学与生物物理学的研究人员发现了硅藻(diatoms)中的碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA,生物通注)……

  生物通报道:来自普林斯顿大学Lewis Thomas实验室(Lewis Thomas Laboratory)分子生物学系,生态与进化生物学系,洛克菲勒大学分子神经生物学与生物物理学的研究人员发现了硅藻(diatoms)中的碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA,生物通注)能轻易在其催化中心交换金属的新机制,因此海洋硅藻在锌缺少时能够利用镉,这在缺乏金属的海洋环境中是一个相当大的竞争优势。这一研究成果公布在《Nature》杂志上。

领导这一研究的是普林斯顿大学的华裔教授施一公(Yigong Shi),这位年轻的教授被誉为华人结构生物发细胞论文最多的教授,曾荣获过全球生物蛋白研究学会(The Protein Society)颁发鄂文西格青年研究家奖(Irving Sigal Young Investigator Award)等著名奖项。

碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA,生物通注)于1940年被发现,是发现的第一个锌酶,也是最重要的锌酶。在人体中,碳酸酐酶是红细胞的主要蛋白质成分之一,在红细胞中的地位仅次于血红蛋白。含一条卷曲的蛋白质链和一个锌(Ⅱ)离子。分子量约为30000。锌离子处于变形四面体的配位环境。催化的最重要的反应是二氧化碳(碳酸酐)可逆的水合作用,使它在生理pH值条件(pH值≌7)下很快进行。为催化H2CO3CO2+H2O反应的酶,酶加速二氧化碳水合的因子在10^7左右。

碳酸酐酶除了存在于脊椎动物的红血球和许多动物的各种组织,也存在于植物的叶中,被认为是一个重要的光合作用酶,能通过催化c0 和HCOs一之间的相互转化反应来降低C0。

而在这篇最新文章中,研究人员则主要聚焦在海洋植物的碳酸酐酶研究方面。在海洋中,锌元素几乎不存在,一些硅藻(diatoms)会用镉(cadmium,通常多被认为有毒)来代替锌作为碳酸酐酶起催化作用的金属原子,即cadmium carbonic anhydrase (CDCA),从而完成大气向深海的碳输出:催化二氧化碳可逆的水化反应。

研究人员在这篇论文中揭示了硅藻Thalassiosira weissflogii这种多功能酶的四种形式的X-射线晶体结构,并从中发现这种酶可轻易在其催化中心交换金属,因此海洋硅藻在锌缺少时能够利用镉,这在缺乏金属的海洋环境中是一个相当大的竞争优势。

在文中也提到这四种形式分别是与镉相结合(cadmium-bound), 与锌相结合(zinc-bound), 不含金属(metal-free)和与醋酸盐相结合(acetate-bound)的。而且研究人员还发现尽管缺乏序列上的同源性,但是CDCA与一种功能性-carbonic anhydrase二聚体具有结构上的相似度,尤其在活性位点残基上具有惊人的空间组织相似性。

从这些研究数据来看CDCA可轻易在其催化中心交换金属原子——这是一种明显的独一无二的,对于海洋生活的适应性,这种对于镉金属元素的利用对于获取碳是至关重要的,也在镉和碳的全球循环中建立了一个不同寻常的关联。
(生物通:万纹)

原文摘要:
Nature 452, 56-61 (6 March 2008) | doi:10.1038/nature06636; Received 3 July 2007; Accepted 10 January 2008
Structure and metal exchange in the cadmium carbonic anhydrase of marine diatoms
Abstract

附:
美华裔教授施一公解开致癌之谜获殊荣

致癌原因一直是全球科学家致力研究的目标之一,这个难解的生命科学之谜,最近由美国新泽西州普林斯顿大学分子生物学华裔教授施一公(Yigong Shi)领导的研究小组解开,施一公并因此于日前获全球生物蛋白研究学会(The Protein Society)颁发鄂文西格青年研究家奖(Irving Sigal Young Investigator Award),他也是这项奖项成立17年以来首位获奖的华裔生命科学研究学者。 

生物蛋白研究学会在全球生物研究学界享有盛名,该学会“鄂文西格青年研究奖”以发现导致HIV病毒病变造成艾滋病的人体蛋白质,并进而研发抗艾滋新药的DNA专家鄂文西格为名,不少获奖人如今已是美国国家科学院院士,施一公是以发现人体细胞凋亡过程失灵导致癌症,以及人体内生长因子讯号传导失常造成癌细胞迅速分裂等人体细胞运作失常是致癌原因而于7月27日获颁此奖。 

据美国《世界日报》报道,今年36岁的施一公当年在北京清华大学生物科学与技术系以第一名毕业,来美获约翰霍普金斯医学院分子生物学博士,在纽约史隆――凯特林癌症研究中心从事基础生物研究两年后,5年前获得普林斯顿大学教职。一般申请终身教职至少需要6年,他却在两年前获得终身职,去年并获该校正教授职位。

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