甲烷厌氧氧化酶原子分辨率结构揭示翻译后修饰对甲烷捕获的关键调控

本研究针对厌氧甲烷氧化古菌(ANME)中甲烷捕获酶(MCR)的结构与功能机制这一关键科学问题，通过原生纯化技术从微生物富集物中获取ANME-2亚型的甲基辅酶M还原酶，首次解析了0.98?原子分辨率结构。研究发现ANME-2d的γ亚基存在新型3(S)-甲基组氨酸修饰，并证实所有ANME-2 MCR均具有7种翻译后修饰(PTMs)，其催化腔室结构高度保守且缺乏烷烃扩散通道。该成果发表于《Nature Communications》，为理解甲烷厌氧氧化的分子机制及生物技术应用提供了结构基础。

　　

在全球气候变化背景下，甲烷作为强效温室气体的代谢过程备受关注。海洋和淡水沉积物中，厌氧甲烷氧化古菌(ANME)通过将甲烷转化为CO₂，承担着自然界71%的生物甲烷过滤功能。然而这些微生物难以分离培养，其核心代谢酶——甲基辅酶M还原酶(Methyl-Coenzyme M Reductase, MCR)的结构与工作机制长期成谜。更棘手的是，不同ANME谱系（如ANME-1与ANME-2）可能通过趋同进化获得甲烷氧化能力，使得酶学特征的解析更具挑战性。

为突破这一瓶颈，由Marie-C. Müller等跨国团队创新性地采用微生物富集策略，从淡水硝酸盐还原型ANME-2d和海洋硫酸盐还原共生型ANME-2c中直接纯化天然MCR，成功获得原子分辨率（0.98?）晶体结构。研究通过X射线晶体学、氪气标记实验和质谱分析等关键技术，首次揭示了ANME-2亚型MCR的精细结构特征。

MCR显示高度保守的整体结构

通过比较淡水ANME-2d⁰、ANME-2d^v和海洋ANME-2c的MCR结构，发现三者虽来自不同生境但结构高度相似（Cα RMSD 0.09?），与产甲烷菌Methanosarcinales的MCR同源度高于ANME-1。晶体学数据显示ANME-2c MCR可能形成稳定二聚体（ΔG^int -617.2 kcal mol^-1），而ANME-2d在天然电泳中显示三聚体倾向，暗示寡聚状态可能具有生理意义。

密封且严格保守的催化腔室

所有ANME-2 MCR的活性位点均被α亚基的C端延伸严密封闭，与依赖烷烃通道的乙烷专一性酶ECR形成鲜明对比。氪气标记实验证实活性位点无内部气体通道，推测甲烷需在异二硫键（CoM-S-S-CoB）打开催化腔室时进入。这种机制与产甲烷MCR相似，支持反向反应机制的假说。

ANME-2 MCR的翻译后修饰

研究首次在γ亚基His159发现新型3(S)-甲基组氨酸修饰，这是天然蛋白质中该修饰的首次报道。质谱验证所有ANME-2 MCR含7种PTMs，包括保守的N^α-甲基组氨酸、硫代甘氨酸和5(S)-甲基精氨酸。比较发现ANME-2d缺失ANME-2c的2(S)-甲基谷氨酰胺，但通过3(S)-甲基组氨酸微调F₄₃₀辅因子的丙酸基团位置（距离缩短至2.9?），可能优化催化微环境。

这项研究通过原生系统结构解析，揭示了甲烷氧化MCR的保守性特征与独有修饰模式。特别值得注意的是，ANME-2d的3(S)-甲基组氨酸修饰位于γ亚基表面环区，提示其可能在亚基组装前由特定甲基转移酶催化安装。与ANME-1和乙烷氧化酶ECR的结构比较表明，甲烷氧化酶的进化更倾向于活性位点封闭性而非气体通道形成。这些发现不仅完善了对全球碳循环关键酶的认识，也为设计甲烷减排生物技术提供了分子蓝图——例如指导异源系统选择正确的辅因子（F₄₃₀变体）和PTMs组合以优化催化效率。

研究团队开创的"非分离微生物原生酶纯化"策略，成功绕过了ANME难以培养的障碍，为研究其他未培养微生物的核心代谢酶树立了方法论典范。随着极端环境下ANME新谱系的不断发现，该工作建立的结构比较框架将有助于解析不同生境中甲烷氧化的分子适应机制。未来通过中子衍射等技术进一步解析质子转移路径，或能最终揭示甲烷C-H键断裂的原子级奥秘。