人胞质支链氨基转移酶磷酸化模拟物的晶体结构揭示ERK2介导的变构调控机制

本研究通过解析人胞质支链氨基转移酶（hBCATc）磷酸化模拟突变体T33E/T36E的晶体结构，结合稳态动力学分析，首次揭示ERK2介导的磷酸化通过变构调节hBCATc的催化效率，为癌症等疾病中BCAT活性调控提供了新靶点。

　　

在细胞代谢调控网络中，支链氨基酸（BCAA）的代谢异常与多种疾病密切相关。人胞质支链氨基转移酶（hBCATc）作为BCAA代谢的关键酶，其活性受氧化还原状态调控已有研究，但关于磷酸化修饰的调控机制仍是空白。近年研究发现，hBCATc与丝裂原活化蛋白激酶（ERK2/MAPK1）存在双向调控关系，尤其在乳腺癌等癌症中异常高表达，但ERK2如何通过磷酸化精确调控hBCATc活性的结构基础尚未阐明。

为回答这一科学问题，研究人员开展了系统性研究。通过液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）鉴定出ERK2介导的hBCATc磷酸化位点（T33/T36/S341/Y345），并针对N端关键位点构建磷酸化模拟突变体T33E和T36E。利用X射线晶体学解析了突变体高分辨率结构（T33E 1.78 ?，T36E 1.66 ?），发现其整体结构与野生型相似（RMSD 0.677 ?/0.578 ?），但关键结构域——连接小结构域和大结构域的域间环（残基191-201）发生显著构象变化。在T33E突变体中，Y193向活性位点外侧移动4.8 ?，导致底物结合通道扩大。稳态动力学分析显示，突变体虽k_cat值降低（T33E 204 s^-1，T36E 371 s^-1 vs WT 595 s^-1），但K_M值显著下降（T33E 0.17 mM，T36E 0.06 mM vs WT 1.2 mM），催化效率（k_cat/K_M）最高提升12.7倍。

研究结果部分：

1. 磷酸化位点定位：LC-MS/MS鉴定出T33/T36等4个ERK2介导的磷酸化位点，其中T33/T36位于N端调控区域。
2. 结构解析：晶体结构显示磷酸化模拟导致域间环构象变化，尤其T33E中Y193位移改变活性位点可及性。
3. 功能验证：动力学实验证实磷酸化模拟通过降低K_M提升催化效率，提示ERK2磷酸化增强底物结合。

结论与意义：
该研究首次揭示hBCATc的变构调控新机制——ERK2介导的N端磷酸化通过远程调控域间环构象，进而影响底物结合效率。这一发现突破了传统认为BCAT仅通过氧化还原调控活性的认知，为开发靶向磷酸化调控的抗癌药物提供了结构基础。同时，hBCATc与ERK2的双向调控关系，为理解癌症等疾病中代谢-信号通路交互作用提供了新视角。论文发表于《Archives of Biochemistry and Biophysics》，为PLP依赖型转氨酶的翻译后修饰研究树立了新范式。