蛋白设施用户揭示合成降胆固醇药洛伐他汀合成机器的三维结构
时间 : 2021-02-09     

2021年2月8日,国际学术期刊Nature Communications在线发表了国家蛋白质科学研究(上海)设施用户上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室邓子新团队研究论文 “洛伐他汀生物合成的结构基础”(Structural basis for the biosynthesis of lovastatin)。该工作通过冷冻电镜与生物化学相结合的手段,解析了洛伐他汀合成机器的三维结构,深入推动次生代谢巨型合酶的结构研究,为衍生新型他汀类药物提供蛋白结构基础。  

他汀类化合物是目前临床应用中十分重要的降胆固醇药物, 通过特异性抑制胆固醇合成途径限速步骤中的HMG-CoA还原酶,降低胆固醇的合成水平。洛伐他汀连续多年销售额超百亿美元,是防治动脉粥样硬化和心血管疾病的有效药物。  

二氢莫纳可林 L(DML)作为洛伐他汀的母核, 由高度还原型迭代式聚酮合酶 (HR-iPKS) LovB, 以及反式作用的烯酰基还原酶LovC共同合成。单体分子量为335 kDa的LovB含有连续的七个结构域,经过9轮循环, 催化约35步生化反应。在催化过程中, LovB变换自身结构域的使用组合方式, 在各轮循环中对中间产物进行不同程度的修饰; 起“把关”作用的LovC与LovB形成蛋白质复合物, 确保终产物DML的正确合成。 然而, 高分辨率LovBC复合物结构信息的缺乏, 障碍了人们进一步理解该巨型合酶的催化机制。 例如,LovB如何迭代且编程式的执行其催化功能?  LovC与LovB 之间如何形成相互作用关系?  

针对上述关键性问题,邓子新院士团队,通过冷冻电子显微镜单颗粒分析技术,成功解析2.91埃的LovB和3.60埃分辨率的LovBC蛋白复合物的结构(图1)。作为第一个天然产物合成的完整解析的HR-iPKS机器, LovBC复合物呈现面对面的 “X” 形二体构架,LovB各催化结构域与反式作用的LovC活性位点之间组成左右两侧 “L” 型的完整催化腔体。 针对LovB各催化结构域深入分析,首次观察到二体KS结构域之间与已知的聚酮合酶结构不同的中断式底物通道,该构象可能作为开关门,在催化过程中与其他结构域共同协调控制其催化反应。二体DH结构域呈现 “V” 形,KR结构域具有较窄的底物进入入口,完整的CMeT结构域辅因子SAM结合口袋清晰可见。  

    
    
   
图1 LovBC复合物的整体构架  

LovC在洛伐他汀合成过程中起关键性 “把关” 功能。研究团队以LovBC复合物的冷冻电镜密度图为基础,通过计算机对接模拟实验,精确解析LovB-LovC之间的相互作用界面。 通过对双界面的点突变实验及突变后正确底物DML消失的观察,首次在蛋白质结构层面论证LovBC复合物完整催化腔体对终产物正确合成的必要性(图2)。

  
    
   
图2 LovB与LovC的相互作用是合成DML的必要条件  

对于该蛋白完整结构的首次捕获,为天然产物迭代式聚酮合酶家族提供二体寡聚状态的催化模式。各催化结构域的分子细节, 说明其编程式的催化机制依赖于底物通道对聚酮中间产物的特异性识别。关键的LovC与LovB相互作用界面,则为理性置换修饰结构域的组合生物合成提供结构模板,为工程化改造LovBC复合物、进而衍生新型他汀类药物提供有力的结构依据。  

国家蛋白质科学研究(上海)设施电镜分析系统为电镜数据收集及处理提供了强有力的技术支持和机时保障;质谱系统通过交联质谱分析为该研究提供了重要的帮助。  

(蛋白质设施上海提供)