解析 I 类核糖核苷酸还原酶周转过程构象景观：揭示内在动态与不对称性奥秘

为解析 I 类核糖核苷酸还原酶（RNR）催化相关结构动态，研究人员经实验发现其周转时的动态与不对称性，为酶机制研究提供依据。

　　

探秘酶的微观世界：I 类核糖核苷酸还原酶的研究之旅

在生命的微观世界里，酶就像一个个勤劳的小工匠，参与着各种重要的生命活动。其中，核糖核苷酸还原酶（RNR）扮演着关键角色，它负责催化核糖核苷酸转变为 2'- 脱氧核糖核苷酸，为 DNA 的合成提供基本元件，是自然界中 DNA 从头合成的唯一途径。I 类 RNR 广泛存在于需氧生物中，因其与疾病治疗靶点相关，且具有动态的四级结构，一直吸引着众多科研人员的目光。

然而，探索 I 类 RNR 的结构动态并非易事。以往研究虽已大致描绘出其周转循环过程，包括催化和再还原两个阶段，但该过程涉及的完整构象集仍不明确，离散的结构状态与酶动力学之间也缺乏直接联系。这就如同拼图游戏，虽有部分碎片，但仍无法拼凑出完整画面。为了填补这些知识空白，来自美国康奈尔大学（Cornell University）和普林斯顿大学（Princeton University）的研究人员开启了深入研究之旅，相关成果发表在《Nature Communications》杂志上。

研究人员运用了多种先进技术方法来揭开 I 类 RNR 的神秘面纱。冷冻电镜（cryo-EM）是其中的关键技术，它能在接近天然的溶液条件下，对样本进行快速冷冻并成像，捕捉蛋白质的各种构象。结合 3D 分类技术，研究人员可对大量的粒子图像进行分类和重建，获得不同的构象信息。深度学习方法 cryoDRGN 则用于进一步分析蛋白质的构象景观，通过训练模型，将复杂的构象信息转化为可直观理解的 2D 景观图。同时，研究人员还借助分子动力学（MD）模拟、生物信息分析等手段，从不同角度深入探究 I 类 RNR 的结构与功能关系。

研究结果

1. RNR 周转中的不对称性和动态性：研究人员对枯草芽孢杆菌（Bs）的 I 类 RNR 在周转过程中的冷冻电镜数据集进行分析，发现 β₂亚基和硫氧还蛋白（TrxA）存在不对称结合现象。β₂亚基的模糊密度并非由于低占有率，而是其通过 C 末端尾巴与 α₂亚基动态连接所致。这种不对称性对 I 类 RNR 机制中的半位点反应性具有重要意义，PCET 过程仅能在复合物的一侧发生，而 TrxA 优先结合在无法进行 PCET 的一侧，这表明酶可能进化出了一种机制，将催化和再还原过程分隔在复合物的两侧。
2. 周转不同阶段的共享动态：研究人员收集了周转前、产物、预还原等不同条件下的冷冻电镜数据集。结果显示，在不同条件下，β₂亚基都呈现出从开放到紧凑的连续构象变化，即使在没有周转的情况下，也存在内在的构象动态。通过对所有条件下的粒子进行 3D 分类，研究人员还发现了一种与大肠杆菌（Ec） RNR 中 PCET 构象相似的新构象，这进一步支持了不同数据集之间存在共享构象的观点，也表明 PCET 过程可能涉及 I 类 RNR 中保守的 α₂β₂构象。
3. RNR 的构象景观：利用 cryoDRGN 和景观分析，研究人员构建了 RNR 的构象景观。结果表明，RNR 在周转过程中持续采样多种构象，且始终保持结构不对称性。不同条件下的构象景观存在差异，底物或产物的添加会改变构象分布，使 PCET 构象更容易出现。这为解释 I 类 RNR 中限速的构象步骤提供了依据，即酶需要采样大量的 α₂β₂构象，才能偶尔达到 PCET 所需的取向。
4. TrxA 结合的分子机制：研究人员通过分析 TrxA 在不同条件下的占有率，发现其在氧化程度较高的状态下，更倾向于结合在 α'₂β₂复合物的 α' 侧。通过聚焦分类和 MD 模拟，研究人员揭示了 TrxA 与 α 亚基之间的疏水相互作用界面，以及 α C 末端尾巴的氧化状态对 TrxA 结合亲和力的影响。氧化的 α C 末端尾巴与 TrxA 的相互作用更强，导致更高的占有率。
5. I 类 RNR 的保守性和多样性：通过生物信息分析，研究人员发现 Bs RNR 和 Ec RNR 在 PCET 过程中可能具有相似的 α₂β₂构象，但在非 PCET 构象集合以及 TrxA 与 α₂的相互作用方面，不同类别的 I 类 RNR 可能存在差异。这种差异在进化过程中体现了出来，某些细菌类别的 I 类 RNR 中存在与 Bs RNR 类似的 TrxA 结合模式，而其他生物，包括所有真核生物，可能采用不同的再还原机制。

研究结论与意义

这项研究通过先进的冷冻电镜分析，直观地展示了 I 类 RNR 的构象景观，为理解其催化机制提供了重要线索。研究发现 I 类 RNR 在周转过程中保持不对称性并进行显著的连续运动，解释了半位点反应性的现象。构象景观的变化与底物、产物的存在以及酶的氧化状态相关，确保了自由基转移的调控和可逆性。此外，研究还揭示了 TrxA 与 I 类 RNR 的相互作用机制，以及不同类别 I 类 RNR 在结构和功能上的保守性与多样性。这些发现不仅加深了人们对 I 类 RNR 工作机制的理解，也为未来设计针对 I 类 RNR 的药物，尤其是抗生素，提供了理论基础。同时，该研究方法也为后续研究其他酶的构象动态提供了范例，有助于推动生命科学领域对酶机制的深入探索。