郑积敏博士Nature文章：让我们的生活更安全

　　

生物通报道：来自加拿大皇后大学（Queen's University）生物化学系，北京师范大学的研究人员测定了大肠杆菌双功能蛋白：异柠檬酸脱氢酶（ICDH）磷酸激酶/磷酸酶(AceK)及其与底物复合物的晶体结构， 从而了解到大肠杆菌和沙门氏菌这类的细菌如何能在低营养环境，比如水环境中生存的调控机制，这一最新成果也许能用于获得更安全的饮用水，以及更便宜的生物发酵制品。研究成果公布在Nature杂志上。

文章的通讯作者是加拿大皇后大学的贾宗超教授，其2004年受聘为国家教育部****奖励计划讲座教授，任北京师范大学****教授，这篇文章的第一作者是目前在北京师范大学工作的郑积敏博士，下图为两位作者正在操作一种X射线装置。 研究人员发现一种称为AceK的蛋白能作为一种调控蛋白，帮助某些细菌，例如大肠杆菌，和沙门氏菌在低营养环境中生存下来。这项成果有利于减少水中的细菌污染（比如大肠杆菌），还可以帮助获得获得更便宜的生物发酵试剂和药物（比如胰岛素），在环保方面也具有积极意义。

 

这项成果独特之处在于一种开启和关闭机制发生在同一蛋白的同一活性中心上，正常而言这两种相对活性应该需要两个不同的“活性位点”。贾教授表示，“从蛋白功能这个层面上来看，这是首次发现的研究成果。”

这项成果也为以后的研究打开了一道门，科学家们能通过设计出可以调控AceK开关的药物，从而让细菌在水中无法生存，因此我们的饮用水能变得更加干净，避免产生类似Walkerton事件那样的悲剧再次发生（Walkerton是发生在加拿大的水污染事件，死了七人病了两千多人，生物通注）。

贾教授说，“虽然一般的生物体在缺乏营养的时候无法生存，但是AceK这一机制却能让一些细菌在低营养的条件下仍能存活一段时间，从而引起污染及健康等问题”。

相反，如果能设计出让支路开关开启的分子，这对于一些生物技术公司而言却是福音，这些公司可以在发酵过程中利用这一机制发酵合成物，比如胰岛素，可以采用更便宜的醋酸盐作为发酵液。这样能大量减少发酵成本，并且由于产生了更少的二氧化碳，因此更有利于环保。

“虽然目前我们还没有发现治理由于大肠杆菌之类的引起水污染 的有效途径，但是我们为大家展示了一种模式 ：设计能使这些细菌在水中无法生存的分子”，贾教授表示，“这就如同我们已经了解了锁如何工作的，现在我们需要的是设计一把钥匙。”

感谢郑积敏博士对本文的修改意见。

（生物通：张迪） 

原文摘要：

Structure of the bifunctional isocitrate dehydrogenase kinase/phosphatase

The Escherichia coli isocitrate dehydrogenase kinase/phosphatase (AceK) is a unique bifunctional enzyme that phosphorylates or dephosphorylates isocitrate dehydrogenase (ICDH) in response to environmental changes, resulting in the inactivation or, respectively, activation of ICDH1. ICDH inactivation short-circuits the Krebs cycle by enabling the glyoxlate bypass2, 3. It was the discovery of AceK and ICDH that established the existence of protein phosphorylation regulation in prokaryotes1, 4. As a 65-kDa protein, AceK is significantly larger than typical eukaryotic protein kinases. Apart from the ATP-binding motif, AceK does not share sequence homology with any eukaryotic protein kinase or phosphatase5, 6. Most intriguingly, AceK possesses the two opposing activities of protein kinase and phosphatase within one protein, and specifically recognizes only intact ICDH7, 8. Additionally, AceK has strong ATPase activity9. It has been shown that AceK kinase, phosphatase and ATPase activities reside at the same site6, 10, although the molecular basis of such multifunctionality and its regulation remains completely unknown. Here we report the structures of AceK and its complex with ICDH. The AceK structure reveals a eukaryotic protein-kinase-like domain containing ATP and a regulatory domain with a novel fold. As an AceK phosphatase activator and kinase inhibitor, AMP is found to bind in an allosteric site between the two AceK domains. An AMP-mediated conformational change exposes and shields ATP, acting as a switch between AceK kinase and phosphatase activities, and ICDH-binding induces further conformational change for AceK activation. The substrate recognition loop of AceK binds to the ICDH dimer, allowing higher-order substrate recognition and interaction, and inducing critical conformational change at the phosphorylation site of ICDH.

作者简介：

贾宗超，北京师范大学****讲座教授。

生物化学。博士生导师。

北京师范大学教授，2004年受聘为国家教育部“****奖励计划讲座教授”，聘任岗位：生物化学。