生命学院刘冀珑实验室揭示CTP合酶配体结合模式

ON2021-07-24文章来源 生命科学与技术学院CATEGORY新闻

7月23日,上??萍即笱г毫跫界缡笛槭以凇睹拦铱蒲г涸嚎罚?/span>PNAS)上发表了研究论文 “CTP合酶配体结合模式的结构基础”(Structural basis for ligand binding modes of CTP synthase)。这项研究以近原子分辨率(2.48埃和2.65埃)揭示了三磷酸胞苷合酶(CTP合酶)配体结合模式,是近70年的CTP合酶研究中,第一次用可靠的电子密度图精确定位该代谢酶结构中的所有配体。

研究团队通过近原子分辨率的结构信息,不仅揭示了四种不同核苷酸及底物谷氨酰胺与CTP合酶的精准相互作用,也完善了人们对CTP合酶变构调节及CTP合成的潜在机制的理解。

CTP合酶是生物化学教科书上解释酶与底物相互作用的经典案例,它催化从头CTP生物合成的最后一步和限速步骤,其配体包括ATP、GTP、UTP和CTP这四种基本核苷酸以及谷氨酰胺和谷氨酸这两种氨基酸。

CTP合酶在促进活跃的细胞代谢中起着关键作用,特别是在增殖细胞(如干细胞、如淋巴细胞和癌细胞)中,其表达和活性上调。因此,CTP合酶一直被认为是治疗寄生虫感染、病毒感染和癌症等疾病的潜在药物靶点。

2010年,牛津大学刘冀珑实验室(现于上??萍即笱В┯诠橹蟹⑾諧TP合酶会形成一种线状的大型无膜结构,并将其命名为“细胞蛇”(Cytoophidium)。随后CTPS细胞蛇相继在细菌、酵母、古菌和人源细胞系中被发现,显示细胞蛇的形成在生命的演化上高度保守,并可能具有重要的生物学功能。

尽管对CTP合酶的研究已有70多年的历史,但谷氨酰胺水解和CTP合成过程中配体结合和构象变化的细节仍不清楚。在此研究中,刘冀珑教授团队利用谷氨酰胺类似物6-重氮-5-氧代-L-去甲亮氨酸(DON)将果蝇CTP合酶固定在催化反应发生当下的结构型态,获得了完整CTPS四聚体的三维结构,更将分辨率提升至近原子水平的2.48埃。

利用这个模型,他们首先揭示 GTP结合位点,并证明GTP在介导谷氨酰胺结合、NH3转运和稳定氨通道中的作用。此外,研究者还捕捉到了依赖ATP的UTP磷酸化的催化中间态,并确定与之相互作用的氨基酸,验证了过去研究对此反应机理的推想。

出乎意料的是,该团队发现了CTP合酶上的第二个CTP结合位点。第二个CTP结合产生了这样一个概念:CTP通过与UTP和ATP竞争来阻断CTP合酶,从而使反馈抑制达到新的复杂程度。

该论文获得两位审稿人的高度评价。其中一位审稿人说:“大量已知的配体,以及CTP合酶高度调控的事实,使得CTP合酶在其反应周期中获得多种构象,并形成可逆的纤维结构,根据物种和/或异构体捕获不同的构象,(这些特征)使CTP合酶成为研究嘧啶生物合成和酶的通用结构调控的肥沃土壤”。

该审稿人还表示,“对酶调节、嘧啶生物合成和药物开发感兴趣的读者会发现这项工作很重要,很可能会从他们那里获得许多引用”。

上??萍即笱г焊呒豆こ淌χ芟?、2020级硕士研究生郭陈君与博士后张家骏为该论文的共同第一作者,刘冀珑教授为该论文的通讯作者。这项研究获得上??萍即笱Ш凸易匀豢蒲Щ鸬淖手约吧虾?萍即笱У缇灯教ê蜕г悍肿酉赴教ǖ募际踔С?。

论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2026621118


底物结合和产物结合的CTP合酶四聚体形成迥异构象


刘冀珑实验室结构小组(左一为刘冀珑)