“在结构生物学中闻所未闻”！新的研究解析免疫系统调节的酶

　　

最近Scripps Research的一项研究已经确定了PLD3和PLD4的详细结构，这两种酶对核酸降解和免疫调节至关重要。这一发现使人们能够理解狼疮、风湿性关节炎和阿尔茨海默氏症等疾病，揭示了新的酶功能，并为未来针对这些酶的治疗方法提供了基础。

斯克里普斯研究所的科学家们已经开发出了与自身免疫和炎症有关的酶的原子水平结构模型，如狼疮和阿尔茨海默病。

当核酸(如DNA或RNA)在细胞质中积累时，它们会触发免疫系统的警报。在正常情况下，酶的任务是清除这些核酸以防止出现问题。然而，如果这些酶不能正常发挥作用而免疫系统干预，就可能导致自身免疫性和炎症性疾病。

在最近发表在《结构》杂志上的一项新研究中，斯克里普斯研究中心的科学家们展示了其中两种核酸降解酶pld3和PLD4的先前描述的结构。了解这些酶的结构和分子细节是设计治疗各种疾病的重要一步，这些疾病包括红斑狼疮、类风湿性关节炎和阿尔茨海默病。

“这些酶对清理细胞环境很重要，它们也设定了被认为是感染与否的门槛，我希望有一天我们可以根据这些信息帮助病人。”资深作者、斯克里普斯研究所免疫学和微生物学系教授David Nemazee博士说。

酶的功能和分析技术

酶是一种蛋白质，它通过与被称为底物的特定分子结合和反应来加速化学反应。在PLD3和PLD4的情况下，底物是RNA或DNA链，酶将其逐个核苷酸分解。

该团队使用x射线晶体学建立了PLD3和PLD4在多种状态或情况下的原子尺度模型，使他们能够检查它们的形状在催化反应过程中是如何变化的。这包括酶休息的时候，或者它们活跃地与底物结合的时候。

“这些模型使我们能够非常清晰和高分辨率地可视化PLD3和PLD4，所以我们确切地知道每个原子是如何相互作用的，这意味着我们可以推断酶是如何工作的，”第一作者Meng Yuan说，他是斯克里普斯研究所综合结构和计算生物学部门的工作人员。

结构分析表明，PLD3和PLD4在结构上相似，它们以非常相似的方式降解DNA和RNA，尽管PLD4是一个更大的蛋白质。这两种酶都通过两步过程降解核酸。

“我们称这个过程为两步催化:咬下和释放，在第一步中，酶咬下DNA链，从DNA链的其余部分分离出一个‘砖头’或核苷酸，在第二步中，它打开‘嘴巴’，释放砖头进行回收。”

由于酶促反应发生得如此之快——在几毫秒内——研究人员需要使用另一种底物来可视化酶在催化过程中的结构。为了做到这一点，他们将酶与一种看起来与酶通常降解的DNA非常相似的分子一起培养，但酶的降解速度要慢得多。

发现新的酶功能

这种方法揭示了其中一种酶以前未知的功能:除了从单链RNA和DNA上咬掉核苷酸外，PLD4还显示出磷酸酶活性，这意味着它也可能参与分解DNA的磷酸主链。

“我认为晶体结构告诉我们这种磷酸酶的活性是惊人的，”Nemazee说。“发现新的酶活性在结构生物学中是闻所未闻的。只是因为孟能够解决如此惊人的精确和详细的结构，他才能告诉我们这种我们不知道的额外的酶活性。”

在他们阐明了PLD3和PLD4的通常结构之后，研究人员检查了与疾病相关的变异结构，包括阿尔茨海默氏症和脊髓小脑性共济失调。这些分析表明，其中一些变异降低了酶的能力，而另一些——包括与晚发性阿尔茨海默氏症相关的突变——似乎更活跃。

“我们的一些数据表明，其中一种与阿尔茨海默氏症相关的酶变体可能功能更好，这让我感到惊讶，但它也可能不太稳定，更容易聚集，”Nemazee说。

研究人员计划继续研究这些酶的结构和功能。他们的下一步工作包括探索在酶过度活跃的情况下抑制酶的可能方法，他们还计划研究在携带无功能(或不起作用)版本的人体内替换酶的可能性。