JBC：最完整的酶家族功能图

最近，美国能源部资助的科学用户设备，与三大生物能研究中心其中之一合作，开发并分析了纤维素降解酶家族GH55中一种酶的高分辨率晶体结构。然后他们进一步运用各种技术，完成了“整个GH酶家族迄今为止最完整的功能图”。研究结果发表在五月八日的《Journal of Biological Chemistry》。

　　

生物通报道：最近，美国能源部资助的科学用户设备，与三大生物能研究中心其中之一合作，开发并分析了纤维素降解酶家族GH55中一种酶的高分辨率晶体结构。然后他们进一步运用各种技术，完成了“整个GH酶家族迄今为止最完整的功能图。”延伸阅读：Nature：科学家生成世界首个人工酶。

GH55酶家族的成员因其分解纤维素的能力而众所周知，因此是致力于提升大规模生物燃料生产的生物能源研究者比较感兴趣的。本研究中所描述的方法，可以允许研究人员同时研究整个酶家庭，从而加速了研究纤维素降解酶的过程。

美国能源部联合基因组研究所（DOE JGI）进行的许多微生物和宏基因组项目，都集中在昆虫和动物的肠道微生物群落，因为它们在分解宿主所消耗的植物团块中发挥作用。当DOE JGI研究人员在《Science》发表奶牛瘤胃宏基因组数据时，他们向（CAZymes）数据库增加了近30,000个候选纤维素降解基因——编码碳水化合物活性酶。

但是，对这些基因中每一个基因进行功能注释，这个过程可能是耗时的。例如，纤维素降解基因GH55家族中的酶，以前大部分工作都是在真菌上开展的。例如，蛋白质PcLam55A的结构是采用白腐真菌Phanerochaete chrysosporium推断而来的，DOE JGI已对此进行了测序。

2015年五月八日公布在《Journal of Biological Chemistry》的一项研究中，研究团队（包括来自DOE JGI和美国能源部资助的大湖生物能源研究中心的研究人员），表征了另一个GH55蛋白——SacteLam55A的结构与功能。SACTE_4363基因编码这种蛋白质，是从松树蜂Sirex noctilio肠道中的微生物SirexAA-E分离出来的。当研究人员在纤维二糖、木聚糖上培养微生物，并预处理柳枝稷样品时，发现了该基因，从而表明它具有分解纤维素的性质。

为了确定该基因的结构，研究人员依靠先进光子源（Advanced Photon Source）收集的衍射数据，开发高分辨率的晶体结构。通过各种分析和技术（如基因合成和无细胞蛋白质翻译），该研究小组也能够表征GH55家族的生化特性和结构。

该研究小组报道称：“据我们所知，结合基因合成、无细胞翻译和试验，使用整个GH55基底诊断面板，代表着整个GH家族迄今为止最完整的功能性图谱。”两个DOE用户设施与DOE生物能源研究中心合作，促成了这项研究，结合不同的技术，将使我们对纤维素结构和功能的理解，超越任何一个设备能力的深度。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Active Site and Laminarin Binding in Glycoside Hydrolase Family 55
Abstract: The Carbohydrate Active Enzyme (CAZy) database indicates that glycoside hydrolase family 55 (GH55) contains both endo- and exo-β-1,3-glucanases. The founding structure in the GH55 is PcLam55A from the white rot fungus Phanerochaete chrysosporium (Ishida, T., Fushinobu, S., Kawai, R., Kitaoka, M., Igarashi, K., and Samejima, M. (2009) Crystal structure of glycoside hydrolase family 55 β-1,3-glucanase from the basidiomycete Phanerochaete chrysosporium. J. Biol. Chem. 284, 10100–10109). Here, we present high resolution crystal structures of bacterial SacteLam55A from the highly cellulolytic Streptomyces sp. SirexAA-E with bound substrates and product. These structures, along with mutagenesis and kinetic studies, implicate Glu-502 as the catalytic acid (as proposed earlier for Glu-663 in PcLam55A) and a proton relay network of four residues in activating water as the nucleophile. Further, a set of conserved aromatic residues that define the active site apparently enforce an exo-glucanase reactivity as demonstrated by exhaustive hydrolysis reactions with purified laminarioligosaccharides. Two additional aromatic residues that line the substrate-binding channel show substrate-dependent conformational flexibility that may promote processive reactivity of the bound oligosaccharide in the bacterial enzymes. Gene synthesis carried out on ∼30% of the GH55 family gave 34 active enzymes (19% functional coverage of the nonredundant members of GH55). These active enzymes reacted with only laminarin from a panel of 10 different soluble and insoluble polysaccharides and displayed a broad range of specific activities and optima for pH and temperature. Application of this experimental method provides a new, systematic way to annotate glycoside hydrolase phylogenetic space for functional properties.