解析 Akkermansia muciniphila 唾液酸酶 Amuc_1547 金属配位与底物识别机制：开启肠道微生物疗法新篇

Akkermansia muciniphila（A. muciniphila）唾液酸酶在黏蛋白降解、能量获取及肠道菌群平衡调节中至关重要，但其结构与功能机制不明。研究人员解析 Amuc_1547 晶体结构，发现独特金属结合口袋等。这为微生物疗法提供理论依据，助力肠道健康研究。

　　

在人体肠道这个神秘而又关键的 “小宇宙” 中，居住着数不清的微生物，它们与人体健康息息相关。其中，Akkermansia muciniphila（A. muciniphila）这种共生菌格外引人注目，它与肥胖、糖尿病、心血管疾病等多种病症有着千丝万缕的联系，而其体内的唾液酸酶更是调节宿主健康的关键 “小能手”。唾液酸酶能够像勤劳的 “小工匠” 一样，切割黏蛋白结合物上含唾液酸的糖蛋白保护帽，帮助 A. muciniphila 获取能量，还能促进肠道共生菌代谢这些糖蛋白，维持肠道菌群的和谐稳定。

然而，尽管唾液酸酶如此重要，科学家们对它的了解却十分有限。A. muciniphila 编码的四种唾液酸酶中，Amuc_1547 的结构和功能机制一直是个未解之谜。它在催化底物和结构特征上与其他唾液酸酶有何不同？又是怎样与金属离子和底物相互作用的？这些问题就像一道道谜题，吸引着科研人员去探索。

为了解开这些谜题，来自昆明医科大学第三附属医院（云南省肿瘤医院）、四川大学华西医院等机构的研究人员展开了深入研究。他们成功解析了 Amuc_1547 与镁离子结合的晶体结构，发现了一系列独特的结构特征和功能机制，这一成果发表在《Molecular Biomedicine》杂志上，为我们理解 A. muciniphila 在肠道中的作用提供了新的视角。

研究人员在研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过蛋白质结晶技术，获得了高质量的 Amuc_1547 晶体，为后续解析其结构奠定基础。利用单波长异常色散（SAD）技术收集 X 射线衍射数据，从而确定蛋白质的三维结构。还运用分子对接、动力学模拟和酶动力学分析等计算生物学方法，探究 Amuc_1547 与底物的相互作用机制 。

研究结果

1. Amuc_1547 的整体结构：研究人员通过 SAD 技术解析了 Amuc_1547 的晶体结构，分辨率高达 2.0 ?。Amuc_1547 由三个结构域组成：N 端催化结构域（19 - 381 位氨基酸残基）、中央连接结构域（391 - 456 位氨基酸残基）和 C 端碳水化合物结合模块样（CBM 样）结构域（457 - 595 位氨基酸残基）。催化结构域呈六叶 β- 螺旋桨结构，在分子识别和底物水解中发挥关键作用；连接结构域通过盐桥、氢键和疏水相互作用稳定整体构象；CBM 样结构域则具有独特的 β- 三明治折叠构象 。
2. 独特的金属离子结合口袋和保守基序：在 Amuc_1547 的催化结构域中，研究人员发现了一个由 Glu289、Glu299 和 Asp300 配位的镁离子结合口袋，这个口袋在其他 A. muciniphila 唾液酸酶中并不保守，是 Amuc_1547 特有的。同时，还发现了六个保守的 S-x-D-x-G-x-x-W 基序，这些基序位于 β- 螺旋桨叶片之间的 β- 发夹环上，对维持六叶 β- 螺旋桨的折叠构象至关重要 。
3. 连接结构域的作用：连接结构域与催化结构域和 CBM 样结构域的相互作用界面面积分别为 1047.3 ?2 和 1217.0 ?2，通过盐桥、氢键和疏水相互作用稳定了 Amuc_1547 的整体构象，确保其正常发挥功能 。
4. CBM 样结构域的潜在结合口袋：通过 DALI 服务器进行同源结构搜索，发现 Amuc_1547 的 CBM 样结构域与人类 Galectin - 8 具有显著同源性。进一步分析发现，CBM 样结构域中存在一个由极性氨基酸组成的潜在碳水化合物结合口袋，可能与碳水化合物底物相互作用 。
5. 独特的催化残基：与典型的 GH33 家族唾液酸酶相比，Amuc_1547 的催化活性中心具有独特的残基组成。其特征性的三联体中，一个精氨酸被 Gln367 取代，经典的亲核酪氨酸被 His349 和 Gln350 取代，这些独特的催化残基使 Amuc_1547 在催化机制上与其他唾液酸酶不同 。
6. 潜在的底物结合口袋：利用分子对接和动力学模拟，研究人员确定了 Amuc_1547 催化结构域中与唾液酸（SIA）和 6 - 唾液酸乳糖（6’SL）结合的潜在底物结合口袋。关键氨基酸残基如 Arg234、Arg305、Gln367 等参与底物结合，突变这些残基会降低酶活性 。
7. 金属离子和碳水化合物对酶活性的影响：实验表明，多种金属离子（如钠、镁、钙、铁、钴）和碳水化合物（如 NAD?、部分寡糖）能够显著增强 Amuc_1547 的酶活性，而锌和锰对酶活性影响不明显。CBM 样结构域在感知 NAD?和寡糖、增强酶活性方面发挥重要作用 。

研究结论与讨论

这项研究成功解析了 A. muciniphila 唾液酸酶 Amuc_1547 的晶体结构，揭示了其金属配位和底物识别的结构基础和功能机制。Amuc_1547 独特的结构特征，如独特的金属离子结合口袋、保守基序和非经典催化三联体，使其在催化机制上与其他唾液酸酶区分开来。金属离子和碳水化合物能够增强其酶活性，表明 Amuc_1547 在适应肠道环境方面具有独特的策略 。

然而，研究也存在一些局限性。例如，催化过程中的精确结构动力学还需要进一步研究，金属离子和碳水化合物在肠道微生物组和宿主免疫反应中的生理相关性也有待明确，对 A. muciniphila 多种唾液酸酶的综合比较还不够全面。未来的研究可以针对这些问题展开，以更深入地了解 A. muciniphila 唾液酸酶的生物学功能和潜在治疗意义 。

总体而言，该研究为理解 A. muciniphila 在肠道中的作用机制提供了重要线索，为基于微生物疗法调节肠道菌群、改善宿主健康提供了理论依据，有望开启肠道微生物疗法的新篇章。