四川大学Nature Chemical Biology发文 揭示羊毛硫肽锌金属肽酶的催化机制

　　

  2022年5月5日，生物治疗国家重点实验室、我院感染性疾病中心包锐研究员团队联合南京大学王欢教授团队、梁勇教授团队在Nature Chemical Biology发表题为“Conformational remodeling enhances activity of lanthipeptide zinc-metallopeptidases”的研究文章。文章揭示了羊毛硫肽金属肽酶的催化机制，对于活性药物研发的重要来源——羊毛硫肽的生产具有重要价值。

   

  图1

  四川大学华西医院为本课题第一完成单位，四川大学博士研究生赵畅、南京大学博士生盛王健为本文共同第一作者；晶体结构数据收集获得了上海光源与蛋白质中心的支持。南京大学王欢教授、魏婉清博士以及我院包锐教授为共同通讯作者。本论文的实验工作全部在国内完成，得到了国家自然基金、江苏省自然科学基金以及我院的经费资助支持。

  M1 家族锌金属肽酶广泛分布于许多物种并参与调节多种生物学功能。例如，大肠杆菌氨肽酶N（ePepN）参与胞质蛋白降解过程中依赖 ATP 的下游加工。人源内质胰岛素调节氨肽酶 (IRAP) 是内吞运输和信号转导的关键调节剂，而内质网氨肽酶 ( ERAP1 和 ERAP2) 负责抗原修剪。这类酶均是Zn2+离子依赖的金属肽酶，往往只具备氨肽酶一种活性。最近，在微生物中发现了一类负责加工羊毛硫肽（lanthipeptide）的M1家族锌金属肽酶（LanPM1），羊毛硫肽是核糖体肽化合物最大的亚家族，有多种结构和生物学活性，是活性药物研发的重要来源。

  不同于大多数M1家族锌金属肽酶，LanPM1被发现是一类双功能蛋白酶，其同时具备内肽酶和氨肽酶两种酶活性，然而这两种酶活性的催化和转化机制尚不清楚。此外，LanPM1的低氨肽酶活性影响了羊毛硫肽的体外成熟，限制了这类酶的应用和羊毛硫肽的异源生产。因此，深入研究 LanPM1蛋白酶的双功能酶学，并设计具有高效氨肽酶活性的酶，对于生产羊毛硫肽具有重要的价值。

  为了探究LanPM1的催化机制，研究团队首先采用X射线晶体衍射技术解析了羊毛硫肽锌金属肽酶家族成员EryP关闭构象、开放构象、中间态的高分辨率晶体结构（图2）。羊毛硫肽锌金属肽酶EryP由四个结构域（Domain）组成，并且Domain-II是其催化中心，包含有保守的Zn2+催化位点，尽管EryP具有内肽酶和氨肽酶双功能酶活性，结合突变和生化实验发现Zn2+催化位点是其唯一的酶活性位点。通过与其他M1家族的结构比较，发现其具有更大的底物结合空腔，这使得其可以催化更大的环肽底物以及更好地发挥独特的内肽酶活性。

   

  图2 

  进一步结构分析发现，在关闭构象中Domain-II和Domain-IV结构域之间还存在一个酸性残基包围的Ca2+结合位点，分子动力学模拟和体外酶活测试发现该位点可以稳定EryP的关闭构象并别构调节氨肽酶活性，研究人员猜想关闭构象是这类酶发挥酶活性的关键。受到Ca2+调控位点的启发，对EryP和同家族的锌金属肽酶AplP进行改造，通过在Domain-II和Domain-IV之间引入盐桥相互作用使其形成了更加关闭的构象，这种改造使EryP和AplP体外氨肽酶活性得到了显著提升，极大地改善了羊毛硫肽化合物的体外成熟效率。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-022-01018-2