学术帯头人连发两篇文章解析酶

　　

生物通报道：来自中科院上海生科院的丁建平研究员主要研究领域包括运用结构生物学、分子生物学、生物化学、细胞生物学等方法研究生物大分子的结构和功能。近期其研究小组破解了两种重要酶的结构和作用机理。

第一种酶是色氨酰tRNA合成酶，研究人员解析了酿酒酵母TrpRS的原酶结构，以及代表TrpRS催化反应中各个阶段的与底物、底物类似物和中间产物的复合物的晶体结构。从而揭示了真核TrpRS的催化机制，为针对TrpRS的抗真菌药物设计提供了新方向。这一研究成果公布在《Nuclear Acid Research》杂志上。

氨酰tRNA合成酶负责将特定的氨基酸转移到相应的tRNA分子的氨基酸接受臂上，保证蛋白的正确翻译。对原核生物TrpRS的结构研究表明，在ATP激活氨基酸的反应中，原核生物TrpRS采取了dissociative的催化机制。但是真核TrpRS的催化机制并不清楚。

之前研究人员曾围绕色氨酰tRNA合成酶的底物特异性识别机制、催化机理、活性调节机制，以及TrpRS与结构上高度相似的苯丙氨酰tRNA合成酶TyrRS的进化关系等开展了系统的研究工作，已发表了一系列文章。最新进展进一步揭示了真核TrpRS的催化机制，并为针对TrpRS的抗真菌药物设计提供了新方向。

研究人员通过解析了酿酒酵母TrpRS的原酶结构，以及代表TrpRS催化反应中各个阶段的与底物、底物类似物和中间产物的复合物的晶体结构。在每个复合物结构中，在底物结合口袋处观察到一个硫酸根离子，分别模拟反应过程中ATP磷酸根离子的不同中间状态。此外，利用人源TrpRS与ATP和色氨酸的结构模型进行了分子动力学模拟。

综合结构研究和分子动力学模拟的结果，揭示了真核TrpRS色氨酸激活反应采取与原核TrpRS不同的associtative的催化机制，并发现一个真核生物特有的保守精氨酸对于氨基酸激活反应具有关键性作用。另外，首次发现了真菌TrpRS和人TrpRS催化活性中心的差异，对于针对TrpRS的抗真菌药物设计具有指导作用。

另外一篇文章中，研究人员揭示了病原微生物问号钩端螺旋体（Leptospira interrogans）中一条特殊的亮氨酸合成途径关键酶——-甲基苹果酸合酶（citramalate synthase，CMS）的催化反应与反馈抑制的分子机制。

问号钩端螺旋体能引起一种在世界各地都广泛流行的人畜共患病——钩端螺旋体病（Leptospirosis）。在我国，“赖型问号钩端螺旋体”（L. interrogans Serotype lai）曾引起钩端螺旋体病的多次大流行，病人有高热、淋巴结肿大、咯血等症状，严重时可导致患者因肺部大面积溶血而死亡。

前人研究表明，钩端螺旋体体内有一种不同于绝大多数微生物的异亮氨酸生物合成途径——丙酮酸途径，关键酶CMS催化了该合成途径的第一步反应——丙酮酸与乙酰辅酶A的缩合。由于异亮氨酸属于人体不能合成的必需氨基酸，所以该途径可以成为研发针对问号钩端螺旋体的抗生素药物的作用靶标。另外，对它的结构解析可以为研究历史悠久、却仍未被完全理解的反馈抑制的变构调节机制提供更多的结构信息。

研究人员运用结构生物学和生物化学的方法分别研究了CMS的催化结构域与其底物丙酮酸、乙酰辅酶A、金属辅基的四元复合物的晶体结构，和CMS的调节结构域与反馈抑制剂异亮氨酸的复合物的晶体结构，以及全酶与这些配体相互结合的动力学性质。研究结果表明CMS的催化反应为羟醛缩合反应，其结合底物侧链的疏水口袋大小决定了酶对底物的高度专一性。抑制剂分子的侧链与周围氨基酸残基形成的疏水空间相契合，保证了抑制剂结合的特异性。抑制剂的结合可能导致调节结构域的二聚体接触面发生构象变化，并通过连接区诱导催化结构域的二聚体接触面和活性中心发生构象变化，从而影响底物和辅酶的结合，最终导致抑制的发生。这些研究结果不仅揭示了CMS的催化机理、底物识别和反馈抑制机制的分子基础，同时为以CMS为靶标的抗生素药物的设计提供了结构基础。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Crystal structure of Pyrococcus horikoshii tryptophanyl-tRNA synthetase and structure-based phylogenetic analysis suggest an archaeal origin of tryptophanyl-tRNA synthetase

Nucleic Acids Research doi:10.1093/nar/gkp1053
 
作者简介：

丁建平

研究员，研究组长，博士生导师，所学术委员会副主任，所长助理


个人简介：
1982年1月南京大学获理学学士学位；1984年10月中山大学获理学硕士学位；1987年10月复旦大学获理学博士学位。1987年11月至1989年6月，中国科学院上海硅酸盐研究所博士后。1989年7月至1991年8月，联邦德国柏林自由大学结晶学研究所洪堡基金会奖研金学者。1991年9月至2001年1月，美国新泽西州罗格斯大学，先后任化学与化学生物学系研究助理、研究助理教授、研究副教授，以及高级生物技术和医学研究中心助理研究员和研究员。2000年11月起，任中科院上海生科院生化细胞所研究员，为中科院“****”引进的杰出青年学术带头人，获得2001年国家杰出青年基金资助，2006年入选国家人事部“新世纪百千万人才工程”国家级人选。现任生化细胞所学术委员会副主任，分子生物学国家重点实验室副主任； “中国生物化学与分子生物学学会”理事、“蛋白质组学专业委员会”副主任、“蛋白质科学专业委员会” 副主任；“中国生物物理学会”理事、”分子生物物理专业委员会” 常务理事；“中国晶体学会”常务理事、”生物大分子专业委员会” 常务理事；“亚洲晶体学会”常务理事；“上海生物化学与分子生物学学会” 常务理事；“上海生物物理学会”常务理事、”分子生物物理专业委员会” 主任等；中国《生物化学与生物物理学报》、《生物化学与生物物理进展》和《生命的化学》编委、英国《BMC Structural Biology》编辑、英国《The Biochemical Journal》编辑顾问委员会委员等。

研究方向：染色质修饰蛋白质的结构生物学

研究工作：

研究领域为结构生物学，主要运用结构生物学、分子生物学、生物化学、细胞生物学等方法研究生物大分子的结构和功能。目前研究工作主要围绕一些具有重要生物学意义、并且与重要疾病相关的蛋白质和蛋白质复合物的结构和功能进行研究，特别是参与染色质修饰的蛋白质、参与营养和能量调节的mTOR信号转导通路的蛋白质、参与生物代谢过程的重要酶蛋白、以及抗体和抗原复合物等。近五年来主持、参与并完成国家、科学院和地方政府的多项重大研究项目。现已在国际重要学术刊物上发表研究论文110多篇，其中包括Nature, Nature Struct Biol, PNAS, EMBO J, J Biol Chem, Nucleic Acid Res, Structure, J Mol Biol, Biochem J, Virology等。这些研究工作不仅阐述了一些重要蛋白质分子的生物功能的结构基础、反应机理、结构和功能的关系等一系列科学问题，具有重大的科学意义；同时还为探索与这些蛋白的功能失调相关的疾病的发病机理、寻找疾病诊断的新靶标和新方法、设计和开发抗病毒和抗疾病药物等奠定了分子基础，具有重要的潜在应用价值。