专访皇后大学及北京师范大学贾宗超教授：双功能酶新发现

　　

生物通报道：在2000年，加拿大发生了一起严重的水污染事故，造成7人死亡，2300人生病，虽然之后监管部门加强了监督，但是仍然会出现类似的情况，除了制定更严格的法规外，科学家们也希望能找出避免同样悲剧再次发生的技术方法，采用环保的生物学手段获得更干净的饮用水。

近期来自加拿大皇后大学（Queen's University）生物化学系，北京师范大学的研究人员在这方面获得了突破，他们测定了大肠杆菌双功能蛋白：异柠檬酸脱氢酶（ICDH）磷酸激酶/磷酸酶(AceK)及其与底物复合物的晶体结构，从而了解到大肠杆菌和沙门氏菌这类的细菌如何能在低营养环境，比如水环境中生存的调控机制，这一最新成果也许能用于获得更安全的饮用水，以及更便宜的生物发酵制品。

这项研究不仅在学术上发现了在同一蛋白的同一活性中心上行使相反功能的新机制——正常而言这两种相对活性应该需要两个不同的“活性位点”，而且可以应用到实际生活方面，可谓说是“一箭双雕”的新成果。研究成果公布在顶级专业期刊《Nature》上。

为了更深入了解这一研究成果，生物通特联系了文章的两位作者：加拿大结构生物学首席科学家 (Canada Research Chair in Structural Biology), 加拿大皇后大学及北京师范大学贾宗超教授，以及北京师范大学郑积敏博士，就读者感兴趣的一些问题请教了他们。

 
（双功能酶AceK结构 - 贾宗超教授(右)和郑积敏博士）

据介绍，很早之前，科学家们就已经知道一些微生物能够在低营养的环境中生存一段时间，这是因为这些微生物的生理代谢中存在着一种特有机制，能够从利用葡萄糖作为碳源营养素切换到利用醋酸盐作为碳源营养素。这是由一个叫AceK的双功能酶所调控的。这里双功能酶的意思是指一个蛋白酶同时具有两个功能，并且是相反的功能。即它可以磷酸化和脱磷酸化同一个蛋白质底物。但是这个双功能酶是怎样被调控的机制一直都不是很清楚。

贾宗超教授和郑积敏博士在之前微生物的磷酸化调控研究方面的基础上，通过蛋白质晶体结构解析获得了AceK蛋白本身，以及与底物形成的复合物的晶体结构，并通过蛋白质晶体学衍射数据计算分析，得到了相关的三维模型，从而了解到大肠杆菌和沙门氏菌这类的细菌如何能在低营养环境，比如水环境中生存的调控机制。

之前曾有其他国外的研究组作过类似的研究，但都没有成功，因此这一课题可以说是颇具挑战性的，首先研究人员需要获得AceK蛋白本身，以及与底物形成的复合物的晶体结构， “但是酶和其底物是很难稳定的结合在一起形成复合物的，因此怎样才能拿到酶和底物复合物的晶体是我们研究中最重要的技术点”， 郑博士表示。

研究人员通过基因表达，蛋白质纯化，结晶，和晶体结构解析等实验步骤，最终拿到了这个复合物的晶体，并通过蛋白质晶体学衍射数据计算，即在原子水平上测定蛋白质中各个原子的空间分布及它们相互作用获得了相关的三维模型，利用这个模型，他们分析出可能化学反应机制。

原来实际上AceK蛋白只有一个活性中心，而一个活性中心行使两个不同生物功能，同时又不能影响与底物的结合，这不是简单的开启和关闭所能解释的。研究人员发现开启和关闭引发了活性中心的构像的变化，因而引发活性中心中不同的氨基酸残基参与反应。而具体的机制还需要进一步研究。

这项成果有利于减少水中的细菌污染（比如大肠杆菌），还可以帮助获得获得更便宜的生物发酵试剂和药物（比如胰岛素），在环保方面也具有积极意义。这项成果也为以后的研究打开了一道门，科学家们能通过设计出可以调控AceK开关的药物，从而让细菌在水中无法生存，因此我们的饮用水能变得更加干净。

这项研究是由国外和国内的研究机构合作完成，在谈到国内研究生和国外研究生有何区别的时候，贾教授认为，国内的学生聪明，勤奋。国外的学生思想活跃，兴趣广泛。可以说各有特色。但英语能力一直是国内学生欠缺的地方，毕竟这不是我们的母语。同时贾教授也提出了对希望加入其研究组的学生的要求：扎实知识基础，有良好实验技能，稳定的工作态度，有一定语言能力，生活能力和与人交往的能力。

贾教授2004年受聘为国家教育部“****奖励计划讲座教授”（北京师范大学），欲了解其实验室更多情况，请点击实验室链接：http://structure.biochem.queensu.ca

（生物通：王蕾）
原文摘要：
Structure of the bifunctional isocitrate dehydrogenase kinase/phosphatase

The Escherichia coli isocitrate dehydrogenase kinase/phosphatase (AceK) is a unique bifunctional enzyme that phosphorylates or dephosphorylates isocitrate dehydrogenase (ICDH) in response to environmental changes, resulting in the inactivation or, respectively, activation of ICDH1. ICDH inactivation short-circuits the Krebs cycle by enabling the glyoxlate bypass2, 3. It was the discovery of AceK and ICDH that established the existence of protein phosphorylation regulation in prokaryotes1, 4. As a 65-kDa protein, AceK is significantly larger than typical eukaryotic protein kinases. Apart from the ATP-binding motif, AceK does not share sequence homology with any eukaryotic protein kinase or phosphatase5, 6. Most intriguingly, AceK possesses the two opposing activities of protein kinase and phosphatase within one protein, and specifically recognizes only intact ICDH7, 8. Additionally, AceK has strong ATPase activity9. It has been shown that AceK kinase, phosphatase and ATPase activities reside at the same site6, 10, although the molecular basis of such multifunctionality and its regulation remains completely unknown. Here we report the structures of AceK and its complex with ICDH. The AceK structure reveals a eukaryotic protein-kinase-like domain containing ATP and a regulatory domain with a novel fold. As an AceK phosphatase activator and kinase inhibitor, AMP is found to bind in an allosteric site between the two AceK domains. An AMP-mediated conformational change exposes and shields ATP, acting as a switch between AceK kinase and phosphatase activities, and ICDH-binding induces further conformational change for AceK activation. The substrate recognition loop of AceK binds to the ICDH dimer, allowing higher-order substrate recognition and interaction, and inducing critical conformational change at the phosphorylation site of ICDH.