Multi-domain terpenoid cyclase architecture and prospects for proximity in bifunctional catalysis
- 作者
- Mengbin Chen, Golda G Harris, Travis A Pemberton, David W Christianson
- 单位
- Roy and Diana Vagelos Laboratories, Department of Chemistry, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104-6323, United States; Radcliffe Institute for Advanced Study and Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, United States
- 杂志
- Current Opinion in Structural Biology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.sbi.2016.05.010
- 所属领域
- 结构生物学
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解决的核心问题
萜类环化酶如何通过多结构域装配实现双功能催化，以及这种装配如何通过邻近效应增强产物通量
研究策略
综述已发表的晶体结构、SAXS分析和酶动力学研究，提出邻近通道和簇通道概念
核心内容
该综述聚焦于多结构域萜类环化酶的装配机制及其在双功能催化中的邻近效应。作者系统梳理了已发表的晶体结构、小角X射线散射和酶动力学数据，归纳了α、β、γ三种结构域的不同组装模式，并提出“邻近通道”和“簇通道”两个概念以解释底物在催化位点间的传递。关键结果包括：紫杉二烯合酶的kcat/KM为3.5×10³ M⁻¹s⁻¹；将ent-copalyl二磷酸合酶与ent-kaurene合酶融合为双功能αβ-αβγ酶后产物通量提高约4倍，而将法尼基焦磷酸合酶与5-epi-aristolochene合酶融合为ααβ或αβα构建体仅提高约2倍；Phomopsis amygdali的PaFS六聚体结构支持簇通道模型，其GGPP合酶域与环化酶域融合使通量提升约2倍。此外，AcOS活性位点的W225/V228被L217/A220取代以适应C25底物，表明结构域混合可拓展产物多样性。多结构域装配通过邻近或簇通道提供适度的催化优势，该机制有望用于代谢工程中通过酶共定位强化产物通量。
创新点
系统总结了α、β、γ结构域的不同组装方式，提出‘邻近通道’和‘簇通道’概念，并揭示了双功能酶（如PaFS六聚体）的结构基础
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus brevifolia | 紫杉醇生物合成 | — | taxadiene synthase | 催化 | αβγ 结构域，类I环化酶，催化 GGPP 环化生成 taxadiene |
| Arabidopsis thaliana | 二萜生物合成（赤霉素前体） | — | ent-copally diphosphate synthase | 催化 | 类II环化酶，βγ活性位点，催化 GGPP 环化生成 ent-copalyl diphosphate |
| Abies grandis | 二萜生物合成 | — | abietadiene synthase | 催化 | 双功能 αβγ，包含类II和类I活性位点，催化 GGPP 依次环化生成 abietadiene |
| Bradyrhizobium japonicum | ent-kaurene 生物合成 | — | ent-kaurene synthase | 催化 | 单α结构域，类I环化酶，催化 ent-copalyl diphosphate 环化生成 ent-kaurene |
| Streptomyces coelicolor | geosmin 生物合成 | — | geosmin synthase | 催化 | αα 双功能，N端α催化 FPP→germacradienol，C端α催化后续碎片化生成 geosmin |
| Phomopsis amygdali | fusicoccadiene 生物合成 | — | fusicoccadiene synthase (PaFS) | 催化 | αα 六聚体，C端α为GGPP合酶，N端α为GGPP环化酶，催化 DMAPP+IPP→GGPP→fusicoccadiene |
| Aspergillus oryzae | sesterterpene 生物合成 | — | ophiolobin F synthase (AcOS) | 催化 | 催化 C25 底物环化，与 PaFS 结构相似，活性位点残基差异适应底物链长 |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | — | GPP synthase α 亚基 | 催化 | 异源四聚体，催化 DMAPP+IPP→GPP |
| Mentha piperita | 单萜生物合成 | — | GPP synthase δ 亚基 | 调控 | 调节亚基，稳定α亚基活性位点构象，自身无催化活性 |
| Streptomyces coelicolor | albaflavenone 生物合成 | — | albaflavenone synthase (细胞色素P450) | 催化 | 兼具 P450 单加氧酶活性和萜烯合酶活性（moonlighting），两个活性位点位于同一蛋白 |
| Penicillium aethiopicum | viridicatumtoxin 生物合成 | — | VrtK | 催化 | 细胞色素P450，同时也催化萜烯环化反应（moonlighting） |
关键发现
- taxadiene synthase 的 kcat/KM = 3.5 × 10^3 M^-1 s^-1
- 将 ent-copally diphosphate synthase 与 ent-kaurene synthase 融合构建为双功能 αβ-αβγ 酶后，产物通量提高约4倍
- 将 FPP synthase 与 5-epi-aristolochene synthase 融合成 ααβ 或 αβα 构建体，产物通量提高约2倍
- PaFS 中 GGPP 合酶域与环化酶域融合使产物通量提高约2倍
- PaFS 的六聚体结构支持簇通道模型
- AcOS 活性位点的 W225/V228 被 L217/A220 取代以适应 C25 底物。
研究结论
多结构域装配通过邻近通道或簇通道提供适度的催化优势，可能用于代谢工程中通过酶共定位提高产物通量；研究还表明结构域混合和匹配可能增加产物化学多样性。