发现新型亚甲基四氢叶酸还原酶家族：改写一碳代谢认知

研究人员针对 S6MTHFR 特性不明问题，开展相关研究，发现新型 MTHFR 家族，或可调节蛋氨酸合成。

　　在生命的微观世界里，一碳代谢（One-carbon metabolism）就像一条至关重要的 “供给线”，为细胞的各种生命活动提供关键的 “建筑材料”。其中，亚甲基四氢叶酸还原酶（Methylenetetrahydrofolate reductase，MTHFR）是一碳代谢的关键 “工匠”，它能催化亚甲基四氢叶酸（CH2?-THF）转变为甲基四氢叶酸（CH3?-THF），这一过程对维持细胞内的甲基平衡、参与蛋氨酸（methionine）合成等至关重要。

然而，在细菌的奇妙世界中，科学家们发现了一种特殊的存在 —— 鞘氨醇单胞菌（Sphingobium lignivorans SYK-6）。这种菌在降解木质素衍生的芳香族化合物方面能力出众，是生产高附加值化学品的潜力 “小能手”。它所拥有的 MTHFR（S6MTHFR）却不走寻常路，被推测能催化与典型 MTHFR 相反的反应，即将CH3?-THF 氧化为CH2?-THF，但一直缺乏直接证据支持，其具体的生化和生物学功能也扑朔迷离。为了揭开 S6MTHFR 的神秘面纱，来自日本高能加速器研究组织（High Energy Accelerator Research Organization，KEK）、长冈技术科学大学等机构的研究人员展开了深入探索，相关研究成果发表在《Communications Biology》上。

研究人员主要运用了多种技术方法来开展研究。在蛋白质研究方面，通过蛋白表达与纯化技术获得 S6MTHFR 和大肠杆菌 MTHFR（EcMTHFR）；采用厌氧滴定技术，在无氧环境下探究 S6MTHFR 与CH3?-THF 的相互作用；利用酶活性测定技术，检测不同条件下酶的催化活性；借助高效液相色谱 - 质谱联用（HPLC-MS）技术，分析反应产物。此外，还通过晶体结构解析，直观地观察 S6MTHFR 的结构特征，以及进行系统发育分析，研究 MTHFR 家族的进化关系。

研究结果

1. S6MTHFR 的酶促特性：研究人员对比 S6MTHFR 与 EcMTHFR 的 FAD 还原活性，发现 S6MTHFR 利用 NADH 的活性极低，而以CH3?-THF 为底物时 FAD 还原活性显著高于 EcMTHFR。通过 HPLC-MS 分析确定 S6MTHFR 能将CH3?-THF 转化为CH2?-THF ，其催化反应的最适 pH 为 7.5，最适温度为 35°C。这表明 S6MTHFR 具有与典型 MTHFR 不同的特性，能以CH3?-THF 为底物进行氧化反应。
2. S6MTHFR 的晶体结构：研究人员解析了 S6MTHFR 的无底物和与底物（CH3?-THF）结合的晶体结构。S6MTHFR 呈 TIM 桶状折叠结构，在底物结合状态下，CH3?-THF 位于 TIM 桶状结构的 C 末端边缘，其蝶呤环与 FAD 的异咯嗪环近乎平行堆叠。与 EcMTHFR 相比，S6MTHFR 结合的CH3?-THF 呈折叠构象，且关键催化残基 Phe215 的位置不同，这影响了底物的结合和催化反应的进行。
3. S6MTHFR 与 NADH 的相互作用及变体构建：研究人员通过结构分析发现 S6MTHFR 因结构特征难以结合 NADH，通过氨基酸替换构建变体。如 L48G-P49G（LP）变体使 NADH 氧化活性提升约 38 倍，L48G-P49G-P268T-F269L-G270N-G271R-L272A（LP-PFGGL）变体不仅 NADH 氧化活性显著改善，还能像典型 MTHFR 一样利用 NADH 将CH2?-THF 转化为CH3?-THF 。这揭示了 S6MTHFR 与 NADH 相互作用的机制，以及氨基酸替换对其功能的影响。
4. S6MTHFR 同源物及 MTHFR 家族分类：研究人员经数据库搜索和系统发育分析，发现一些细菌存在 S6MTHFR 同源物，且它们在特定区域的氨基酸序列保守，可能具有与 S6MTHFR 相似的催化CH3?-THF 氧化的能力。MTHFR 可分为四类，其中第 4 类包括 S6MTHFR，能催化CH3?-THF 氧化，与四氢叶酸依赖的去甲基化酶共同构成独特的酶家族。

研究结论与讨论

该研究成功揭示了 S6MTHFR 的独特酶促特性，它倾向于催化与典型 MTHFR 相反的反应，将CH3?-THF 转化为CH2?-THF。晶体结构分析表明，S6MTHFR 的 loopβ2-α3、螺旋 α8 和 loopβ8-α11 区域与 EcMTHFR 的结构差异，是其能高效催化CH3?-THF 氧化的关键，同时这些结构差异也导致 S6MTHFR 难以结合 NADH/NAD?，暗示细胞内可能存在替代电子受体。由于 S6MTHFR 不能将CH2?-THF 转化为CH3?-THF，环境中碳源的去甲基化成为 SYK-6 细胞中CH3?-THF 生成的唯一途径，这使得蛋氨酸的生物合成量直接取决于环境碳源水平，进而表明 S6MTHFR 与去甲基化酶的组合可能作为环境监测器，根据细胞内蛋氨酸水平调节 SYK-6 的生长。此外，研究还发现许多细菌中存在 S6MTHFR 同源物，它们可能与四氢叶酸依赖的去甲基化酶协同作用，在一碳代谢中发挥重要功能。这一研究成果不仅为深入理解一碳代谢的多样性和复杂性提供了新视角，还为未来探索微生物代谢调控机制以及开发新型生物技术应用奠定了坚实基础 。