磷是生命起源過(guò)程中的重要元素之一，在生命體系中的作用非常廣泛，是構(gòu)成核酸、磷脂和ATP等生物分子的重要組成部分。多聚磷酸鹽（polyphosphate, polyP）是由幾個(gè)到上個(gè)磷酸鹽殘基通過(guò)高能磷酸酐鍵連接而成的聚合物。PolyP 在不同類型生物中廣泛存在，它可作為磷酸鹽的儲(chǔ)存庫(kù)和細(xì)胞代謝的能量來(lái)源。PolyP降解代謝主要依賴多聚磷酸鹽外切酶（exopolyphosphatase, PPX），然而PPX的底物作用分子機(jī)制和結(jié)構(gòu)進(jìn)化尚不清楚。
2024年4月29日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物物理研究所田兵教授、周如鴻教授、趙燁教授和華躍進(jìn)教授聯(lián)合在Advanced Science雜志在線發(fā)表了題為“Structural Evolution of Bacterial Polyphosphate Degradation Enzyme for Phosphorus Cycling”的研究論文，且被選為封面文章（Front cover）。該研究發(fā)現(xiàn)了一種基于結(jié)構(gòu)域之間ɑ-linker的細(xì)菌PPX結(jié)構(gòu)演化機(jī)制，即ɑ-linker的長(zhǎng)度在不同細(xì)菌間存在多樣性，且影響了酶的結(jié)構(gòu)、活性和熱穩(wěn)定性，揭示了酶的分子演化和細(xì)菌環(huán)境適應(yīng)性上的潛在關(guān)系。
該研究通過(guò)解析多種細(xì)菌的PPX結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)域保守的PPX在二聚體結(jié)構(gòu)上存在多樣性。發(fā)現(xiàn)連接N端和C端結(jié)構(gòu)域的一段剛性ɑ-linker在不同物種PPX結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)度存在差異，影響了其四級(jí)結(jié)構(gòu)，即liner越短，二聚體的蛋白-蛋白相互作用界面越大，導(dǎo)致更緊密的二聚體構(gòu)型。研究發(fā)現(xiàn)，PPX的 ɑ-linker越短，其降解polyP酶活性越高；同時(shí)通過(guò)人工改造ɑ-linker長(zhǎng)短進(jìn)一步驗(yàn)證了該規(guī)律。那么該規(guī)律背后的分子機(jī)制是什么？通過(guò)多個(gè)復(fù)合物解析和計(jì)算生物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)底物polyP結(jié)合在位于N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合口袋的兩個(gè)Loop之間，分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)ɑ-linker越短，N端結(jié)構(gòu)域和C端結(jié)構(gòu)域互作越強(qiáng)，同時(shí)polyP在口袋中結(jié)合得更緊密。
圖1. ɑ-linker長(zhǎng)度影響PPX結(jié)構(gòu)和功能的分子機(jī)制
作者通過(guò)對(duì)極端微生物Deinococcus-Thermus門(mén)中的PPX序列比對(duì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)分析和AlphaFold 2的三維結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)不耐熱的Deinococcus 細(xì)菌中PPX的ɑ-linker較長(zhǎng)；而嗜熱細(xì)菌PPX中的ɑ-linker普遍較短且具有更強(qiáng)的酶活性和熱穩(wěn)定性，能夠更高效地利用磷酸鹽和適應(yīng)高溫環(huán)境。同時(shí)，人工分子改造使ɑ-linker變短的酶，其活性和熱穩(wěn)定性也更高。因此，ɑ-linker可能在PPX演化和菌體環(huán)境適應(yīng)性上起到重要作用。由此，該論文提出了一種基于ɑ-linker的蛋白結(jié)構(gòu)演化模式，也為酶的理性設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化提供了借鑒。
圖2. Deinococcus-Thermus門(mén)PPX中ɑ-linker長(zhǎng)度的多樣性及其對(duì)酶活性和熱穩(wěn)定性的影響
戴商博士為論文第一作者、博士后王斌強(qiáng)和博士生葉芮為論文共同第一作者，田兵教授、周如鴻教授、趙燁教授和華躍進(jìn)教授為本文通訊作者。研究成果是逆境生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的交叉成果。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)上海張江重大專項(xiàng)、浙江大學(xué)上海高等研究院繁星計(jì)劃基金等資助。
