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生物物理所首次报道CDP-DAG合成酶的第一个晶体结构

摘要 : 中科院生物物理所柳振峰研究组在国际上首次报道了CDP-DAG合成酶(Cds)膜蛋白家族的第一个晶体结构(分辨率为3.4埃),并对其活性中心的金属离子结合位点、双底物的结合位点及催化反应机制进行了深入分析和探讨。相关文章发表于2014年6月27日的《Nature》杂志上。

 中科院生物物理所柳振峰研究组在国际上首次报道了CDP-DAG合成酶(Cds)膜蛋白家族的第一个晶体结构(分辨率为3.4埃),并对其活性中心的金属离子结合位点、双底物的结合位点及催化反应机制进行了深入分析和探讨。相关文章发表于2014年6月27日的《Nature》杂志上。

图注:TmCdsA二聚体的结构及其催化的反应过程模式图

图注:TmCdsA二聚体的结构及其催化的反应过程模式图

CDP-DAG合成酶广泛存在于原核生物和真核生物体内,是磷脂酰甘油(PG)、磷脂酰肌醇(PI)以及磷脂酰丝氨酸(PS)合成过程的重要中间酶。它所催化生成的产物CDP-DAG,被下游的其它酶用于合成PG,PI和PS。在体内,Cds蛋白被发现在磷脂酰肌醇介导的信号转导通路中的信使分子PIP2分子的循环再生中发挥关键作用,进而参与昆虫视觉反应中的光感受过程和鱼类的血管生成过程。并且,之前的研究还发现植物叶绿体中的Cds同源蛋白对于植物的光合自养是必需的。

经过近四年的努力,柳振峰课题组解析了Cds家族的第一个结构。研究发现TmCdsA形成了稳定的二聚体,该二聚体膜内酶在底物依赖动力学分析中呈现出CTP诱导的变构效应。每个TmCdsA单体中含有九个跨膜螺旋,组成了三个结构域。该膜内酶的活性中心含有两个金属离子的结合位点,其中一个为Mg2+离子,另一个为K+离子。进一步的突变体酶活实验分析结果验证了晶体结构中参与构成活性中心的一系列重要极性氨基酸残基。结果发现活性中心的核心包含了两个保守的天冬氨酸残基和与之结合的两个金属离子(Mg2+和K+)。

此外,该项工作还首次在膜内酶中发现一种双开口的底物结合口袋,这一特征使得TmCdsA能够同时接纳水溶性和脂溶性两种性质和来源截然不同的底物分子。面向胞质的开口使得TmCdsA能够接收胞浆来源的CTP/dCTP分子,而面向膜内的开口使得其能够从膜上获取疏水底物磷脂酸分子。基于结构和功能分析的结果,论文中首次提出了一种类似于DNA聚合酶的双金属介导的CDP-DAG合成机制。

本研究得到了科技部973计划,中国自然科学基金,中国科学院一三五计划和中科院战略性先导科技专项(B类)的资助。项目负责人柳振峰为中组部“青年千人计划”的首批入选者,获得了该计划的资助和支持。该论文的第一作者为刘秀颖(助理研究员)和尹妍(并列第一作者,博士研究生)。

原文摘要:

Structure and mechanism of an intramembrane liponucleotide synthetase central for phospholipid biosynthesis

Xiuying Liu, Yan Yin, Jinjun Wu & Zhenfeng Liu

Phospholipids are elemental building-block molecules for biological membranes. Biosynthesis of phosphatidylinositol, phosphatidylglycerol and phosphatidylserine requires a central liponucleotide intermediate named cytidine-diphosphate diacylglycerol (CDP-DAG). The CDP-DAG synthetase (Cds) is an integral membrane enzyme catalysing the formation of CDP-DAG, an essential step for phosphoinositide recycling during signal transduction. Here we report the structure of the Cds fromThermotoga maritima (TmCdsA) at 3.4 Å resolution. TmCdsA forms a homodimer and each monomer contains nine transmembrane helices arranged into a novel fold with three domains. An unusual funnel-shaped cavity penetrates half way into the membrane, allowing the enzyme to simultaneously accept hydrophilic substrate (cytidine 5′-triphosphate (CTP)/deoxy-CTP) from cytoplasm and hydrophobic substrate (phosphatidic acid) from membrane. Located at the bottom of the cavity, a Mg2+-K+ hetero-di-metal centre coordinated by an Asp-Asp dyad serves as the cofactor of TmCdsA. The results suggest a two-metal-ion catalytic mechanism for the Cds-mediated synthesis of CDP-DAG at the membrane–cytoplasm interface.

来源: 中科院 浏览次数:121

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