中科院最新文章解析肝素合成过程中关键酶结构

　　

  　硫酸乙酰肝素是在细胞表面和细胞质基质中广泛存在的一种多糖，它能与一系列的生长因子、趋化因子和白介素等功能性蛋白质相互作用，进而在胚胎发育、细胞生长、炎症反应、凝血、肿瘤转移和病毒侵染等生理过程中发挥作用。葡萄糖醛酸C5异构酶则是硫酸乙酰肝素和肝素合成中的一个关键酶，它能将糖链中的葡萄糖醛酸异构为艾杜糖醛酸，从而赋予糖链结构上的柔性。其由基因组中单一基因编码，没有亚型，基因于1997年首次克隆，近年来发现其在肿瘤和神经系统中发挥重要作用，是相关疾病治疗新的潜在靶分子，但是蛋白结构和酶活催化机制却仍然迟迟未得到解析。

　　为了更充分了解葡萄糖醛酸C5异构酶在硫酸乙酰肝素和肝素合成过程中的作用，中国科学院上海药物研究所糖生物学及糖化学实验室丁侃课题组联合受体结构与功能重点实验室徐华强课题组，对葡萄糖醛酸C5异构酶的蛋白结构和功能进行了细致研究，成功解析了斑马鱼葡萄糖醛酸C5异构酶的蛋白结构以及其与肝素六糖的复合物结构，并从结构角度阐释了葡萄糖醛酸C5异构酶的产物抑制作用。

　　葡萄糖醛酸C5异构酶以稳定的二聚体形式存在，每个葡萄糖醛酸C5异构酶单体可以分为N端β-发夹结构域、β桶型结构域和C端α-螺旋结构域。其α-螺旋结构域中的带正电结合口袋能与一个带负电的肝素六糖通过大量的电荷相互作用和氢键相结合。根据结构分析和突变研究，研究人员确定了葡萄糖醛酸C5异构酶的α-螺旋结构域中的酶活催化位点，Y468，Y528和Y546这3个酪氨酸在催化过程中起关键作用。在体内糖链合成过程中，葡萄糖醛酸C5异构酶催化的异构化修饰下游有多种O-硫酸化修饰。而且他们发现葡萄糖醛酸C5异构酶能与2种O-硫酸基转移酶相互作用，复合物晶体结构中糖链上的O-硫酸化修饰导致催化位点的糖环C5碳原子远离催化氨基酸，形成一种非活性状态。

    此外，酶活性实验也揭示了肝素糖链上2位和6位O-硫酸化对葡萄糖醛酸C5异构酶的产物抑制作用。因此，糖链合成过程中与异构化偶联的下游O-硫酸化导致了葡萄糖醛酸C5异构酶的催化过程在体内是不可逆。该研究有助于肝素类药物的人工化学酶法合成研究以及葡萄糖醛酸C5异构酶抑制剂的发现。

　　该研究工作主要由丁侃课题组博士研究生秦毅完成，并得到国家自然科学基金和国家杰出青年基金的资助。相关研究成果于1月7日在线发表于The Journal of Biological Chemistry 杂志（doi: 10.1074/jbc.M114.602201）。

原文摘要：

Structural and functional study of D-glucuronyl C5-epimerase

Heparan sulfate (HS) is a glycosaminoglycan present on the cell surface and in the extracellular matrix which interacts with diverse signal molecules and is essential for many physiological processes including embryonic development, cell growth, inflammation, and blood coagulation. D-glucuronyl C5-epimerase (Glce) is a crucial enzyme in HS synthesis, converting D-glucuronic acid (GlcA) to L-iduronic acid (IdoA) to increase HS flexibility. This modification of HS is important for protein ligand recognition. We have determined the crystal structures of Glce in apo form (unliganded) and in complex with heparin hexasaccharide (product of Glce following O-sulfation), both in a stable dimer conformation. A Glce dimer contains two catalytic sites, each at a positively charged cleft in C-terminal α-helical domains binding one negatively charged hexasaccharide. Based on the structural and mutagenesis studies, three tyrosine residues, Y468, Y528, and Y546 in the active site were found to be crucial for the enzymatic activity. The complex structure also reveals the mechanism of product inhibition, i.e. 2-O- and 6-O-sulfation of HS keeps the C5 carbon of IdoA away from the active-site tyrosine residues. Our structural and functional data advance understanding of the key modification regulation in HS biosynthesis.