双酶协同催化甲基胍脱甲基化：一种依赖2-OG/Fe(II)的双加氧酶和裂解酶级联反应机制

本研究揭示了嗜盐细菌Vreelandella boliviensis通过2-OG/Fe(II)依赖的双加氧酶MgdH和裂解酶MgdL的级联反应，实现了甲基胍的脱甲基化代谢。该发现不仅阐明了新型胍类化合物降解的分子机制，还拓展了对核糖开关调控特异性的认知，为微生物氮代谢途径提供了全新视角。

　　

在微生物代谢研究领域，胍类化合物的生物降解机制一直是未被充分探索的前沿课题。虽然自然界中广泛存在的胍核糖开关（guanidine riboswitch）表明细菌需要精确调控细胞内胍类化合物浓度，但甲基化胍衍生物的代谢途径却始终成谜。特别是在某些嗜盐细菌如Vreelandella boliviensis的基因组中，与胍羧化酶途径（guanidine carboxylase pathway）相邻的两个未知功能基因——注释为2-酮戊二酸/铁离子依赖双加氧酶（2-OG/Fe(II)-dependent dioxygenase）和假设蛋白——更暗示着存在全新的代谢机制。

近日发表于《Nature Communications》的研究破解了这一谜题。研究团队通过多学科技术手段，证实这两个基因编码的酶共同催化甲基胍（methylguanidine）的脱甲基化反应：双加氧酶MgdH负责羟基化甲基胍生成N-(羟甲基)胍（N-(hydroxymethyl)guanidine），而假设蛋白MgdL则作为专用裂解酶加速该中间体分解为胍和甲醛。这一发现不仅揭示了微生物利用甲基胍作为氮源的核心生化机制，还首次报道了具有异常稳定性的生物源半胺醛中间体及其专用裂解酶。

研究采用的关键技术包括：体外探针法（in-line probing）分析核糖开关配体特异性、Clark型氧电极测定酶动力学参数、LC-MS联用技术追踪代谢产物、定点突变验证催化机制、比较蛋白质组学分析差异表达蛋白，以及基于Chai-1的蛋白结构建模。所有实验均以Vreelandella boliviensis LC1（DSM 15516）为研究对象，其培养采用高盐最小培养基配合不同氮源。

MgdH是甲基胍羟化酶

通过异源表达和纯化MgdH蛋白，研究人员发现该酶特异性催化甲基胍和N,N-二甲基胍的羟基化反应。动力学分析显示其对甲基胍的K_M为0.16±0.01 mM，k_cat为19.6±0.4 s^-1。产物分析证实反应生成等摩尔的胍和甲醛，但中间体N-(羟甲基)胍表现出异常稳定性（半衰期>1小时），这与典型去甲基化反应中半胺醛的快速分解特性截然不同。

MgdL加速N-(羟甲基)胍裂解

当加入MgdL后，N-(羟甲基)胍的积累显著减少，胍生成速率与底物消耗同步。结构建模表明MgdL的保守残基D49和R51可能通过酸碱催化机制促进C-N键断裂：D49作为广义碱夺取羟基质子，R51的胍基作为广义酸提供质子。定点突变实验证实D49A/E和R51A/K突变体完全丧失催化功能，支持该机制。

核糖开关调控具有底物特异性

操纵子前的I类胍核糖开关（Gd-I RS）特异性结合胍（K_D=44±9 μM），而II类核糖开关（Gd-II RS）对胍和甲基胍具有同等亲和力（K_D分别为93±6 μM和83±5 μM）。这种差异化调控确保只有在真实胍信号存在时启动全操纵子转录，而甲基胍仅能诱导胍羧化酶基因表达。

甲基胍作为氮源的生理意义

V. boliviensis能以甲基胍或胍作为唯一氮源生长，但N,N-二甲基胍几乎不支持生长。蛋白质组分析显示，在甲基胍条件下，整个操纵子编码蛋白（包括转运蛋白、Gca途径酶、MgdH/L）表达量显著上调。甲醛检测表明细胞内未积累甲醛，推测通过S-(羟甲基)谷胱甘肽脱氢酶和S-甲酰谷胱甘肽水解酶系统实现解毒。

该研究首次完整阐释了微生物降解甲基胍的酶学机制，揭示了2-OG/Fe(II)依赖双加氧酶家族的新功能，并发现首个专门催化胍类半胺醛裂解的酶学活性。不同于核酸/蛋白质去甲基化反应中半胺醛的自发分解，N-(羟甲基)胍的异常稳定性及其专用裂解酶的存在，表明自然界进化出了针对特殊代谢中间体的精细化处理策略。双核糖开关的差异化调控机制进一步展现了细菌应对复杂代谢环境的精密适应策略。这些发现为开发胍类污染物生物修复技术提供了理论依据，也为探索微生物氮代谢网络的多样性开辟了新方向。