揭示耐辐射球菌中Cu/Zn-SOD与β-螺旋桨内酯酶自然融合的多功能酶结构及其双功能活性

本研究针对Cu/Zn-SOD（超氧化物歧化酶）结构多样性不足的问题，聚焦Deinococcus radiodurans中的DrSOD酶。通过结构解析与功能实验，发现其Cu/Zn-SOD域保留超氧化物歧化酶活性（IC50 = 0.25 pmol），而β-propeller域则特异性水解2-coumaranone（内酯酶活性）。这一独特的多域架构拓展了Cu/Zn-SOD家族的多样性，为酶进化与抗氧化-代谢整合机制提供了新见解。

　　

论文解读文章

在生命科学领域，超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD）因其清除超氧自由基（O₂^-）的关键作用而被视为抗氧化防御的核心“卫士”。这种酶广泛存在于从细菌到人类的生物体中，通过催化O₂^-转化为O₂和H₂O₂来保护细胞免受氧化损伤。然而，尽管Cu/Zn-SOD的经典结构已被深入解析——其免疫球蛋白样折叠（immunoglobulin-like fold）和铜锌离子结合位点堪称教科书范例——但它在自然界中的结构多样性仍如迷雾笼罩。例如，已知276种含Cu/Zn-SOD域的蛋白架构（InterPro IPR001424），但多数功能未明。这一问题在极端环境微生物中尤为突出：以耐辐射性闻名的Deinococcus radiodurans虽依赖锰超氧化物歧化酶（MnSOD）抵抗辐射损伤，但其三种预测为周质定位的Cu/Zn-SOD蛋白（包括DrSOD）的表达与功能长期是未解之谜。更令人困惑的是，DrSOD被预测为Cu/Zn-SOD域与SMP-30/葡萄糖酸内酯酶样域（β-propeller lactonase）的融合体，这类架构仅在Deinococcus属中发现，暗示其可能蕴含新颖的酶学机制。若无法揭示此类蛋白的结构与功能，我们不仅错失理解极端微生物抗氧化策略的机会，更难以洞察酶结构域融合的进化意义。

为破解这一谜题，日本高能加速器研究机构（KEK）与SPring-8同步辐射设施的研究团队聚焦DrSOD（UniProt Q9RYV4），展开系统性研究。他们通过基因操作、蛋白质纯化与多尺度分析，首次解析了DrSOD的全长结构并验证其双功能活性，相关成果发表在《Journal of Biological Chemistry》。研究核心在于整合结构生物学与酶学：首先利用大肠杆菌重组表达系统纯化DrSOD及其截短域（DrSOD^SOD与DrSOD^β-pro），通过原子吸收光谱确保金属离子（Cu²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺）结合状态；继而采用X射线晶体学（X-ray crystallography）在KEK BL-17A和SPring-8 BL44XU光束线收集衍射数据，结合分子置换与迭代优化获得高分辨率结构；溶液态寡聚状态通过尺寸排阻色谱-多角度光散射（SEC-MALS）表征；酶活性方面，超氧化物歧化酶活性以WST-1还原抑制法（IC₅₀测定）评估，内酯酶活性则基于p-硝基苯酚（p-nitrophenol）的pH指示效应定量；此外，利用基因敲除（ΔDrSOD菌株）和Western blot验证了DrSOD在D. radiodurans中的生理表达。这些技术不仅覆盖从原子到细胞的多尺度验证，更规避了传统方法的局限（如金属螯合剂EDTA对活性的干扰）。

DrSOD在D. radiodurans中的表达特征

通过构建ΔDrSOD突变株，研究发现DrSOD在野生型菌株中特异性于静止期晚期表达（约38小时），而缺失该酶不影响细菌在DNA损伤压力（如紫外线或丝裂霉素C）下的生存力。这表明DrSOD不参与该菌标志性的辐射抗性机制，暗示其功能可能独立于经典应激响应通路。

DrSOD的多域结构解析

晶体结构（分辨率达1.7 ?）揭示DrSOD为单体酶，含N端Cu/Zn-SOD域（DrSOD^SOD）和C端β-螺旋桨域（DrSOD^β-pro）。DrSOD^SOD结合Cu²⁺（His70/72/97/157配位）与Zn<