In silico study of binding motifs in squalene synthase enzyme of secondary metabolic pathway solanaceae family
- 作者
- Sanchita, Garima Singh, Ashok Sharma
- DOI
- 10.1007/s11033-014-3603-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析茄科植物次生代谢通路关键酶鲨烯合酶（SQS）的保守结合基序及其与底物/辅因子的结合机制，并预测W. somnifera SQS的三维结构，以理解其在类异戊二烯代谢调控中的作用。
研究策略
利用生物信息学手段：从NCBI检索SQS蛋白序列，通过CDD和MOTIF工具分析保守域与基序，采用CLUSTALW进行多序列比对，MEGA 5.05构建系统发育树，SOPMA预测二级结构，Modeller 9.13基于人SQS晶体结构（PDB 1EZF）进行同源建模，Autodock 4进行分子对接，并通过Pymol可视化。
核心内容
本研究通过系统的生物信息学手段对茄科植物次生代谢通路中的关键酶鲨烯合酶（SQS）进行了深入分析。研究从NCBI检索了包括Withania somnifera在内的多种茄科植物及拟南芥和人源的SQS蛋白序列，利用CDD和MOTIF工具鉴定保守结构域与基序，CLUSTALW进行多序列比对，MEGA 5.05构建系统发育树，并结合同源建模与分子对接揭示其结合机制。结果显示，SQS蛋白序列长度为411–413个氨基酸，两个保守基序中motif 2含有29个可能对催化功能至关重要的残基。研究者首次对W. somnifera的SQS进行了同源建模（RMSD为0.864 Å，与人源序列一致性47.44%），并通过Autodock 4分子对接鉴定了底物及辅因子的具体结合位点：FPP结合LYS223和VAL221（最低结合能-2.41 kcal/mol），Mg²⁺结合ASP213和GLU216（最低结合能-9.42 kcal/mol），NAD(P)H结合VAL221和LYS157（最低结合能-3.32 kcal/mol）。这些发现暗示motif 2中残基的氨基酸替换虽可能不改变酶的整体功能，但会显著影响Mg²⁺、FPP和NAD(P)H的结合亲和力，从而为理解茄科植物类异戊二烯代谢调控及通过基因工程改造鲨烯合酶以增强次生代谢产物产量提供了重要的结构生物学基础。
创新点
首次对W. somnifera的SQS进行同源建模和分子对接，鉴定了motif 2中29个可能对催化/功能活性重要的残基，并具体揭示了FPP、Mg²⁺和NAD(P)H与WsSQS的结合位点及结合能。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Withania somnifera | 类异戊二烯生物合成途径（withanolide合成） | SQS (squalene synthase) | WsSQS (GenBank ADC95435.1) | 催化 | 将FPP转化为角鲨烯；含motif1（YCHYVAGLVGLGLSKL）和motif2（MGLFLQKTNIRDYLEDINEIPKSRMFWP）；对接显示LYS223、VAL221、ASP213、GLU216参与底物结合 |
| Arabidopsis thaliana | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 3条序列；保守域最长285残基；与茄科植物同源性最高82.0%、最低73.5% |
| Capsicum annum | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 1条序列 |
| Datura inoxia | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 1条序列 |
| Nicotiana tabacum | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 3条序列；保守域最短248残基；motif2长度有变异 |
| Solanum lycopersicum | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 1条序列 |
| Solanum tuberosum | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 1条序列 |
| Solanum chacoense | 类异戊二烯生物合成途径 | SQS | SQS酶 | 催化 | 1条序列 |
| Homo sapiens | 胆固醇生物合成途径 | SQS | 人鲨烯合酶（PDB 1EZF） | 催化 | 作为同源建模模板；WsSQS与之序列一致性47.44%，RMSD 0.864 Å |
关键发现
- SQS蛋白序列长度为411-413个氨基酸
- 保守域长度248-285残基
- WsSQS二级结构含α螺旋73.14%、延伸链5.30%、β转角3.53%、无规卷曲18.02%
- 同源建模RMSD为0.864 Å，与人类SQS序列一致性47.44%
- Ramachandran plot显示77%残基在favored区、15.6%在allowed区
- 分子对接结果表明FPP结合LYS223和VAL221（最低结合能-2.41 kcal/mol），Mg²⁺结合ASP213和GLU216（最低结合能-9.42 kcal/mol），NAD(P)H结合VAL221和LYS157（最低结合能-3.32 kcal/mol）。序列同源性分析显示A. thaliana与N. tabacum和S. tuberosum的同源性最高均为82.0%，与W. somnifera最低为73.5%。
研究结论
SQS中存在两个保守基序（motif1和motif2），其中motif2的29个残基可能对SQS的催化/功能活性至关重要；氨基酸替换可能不改变功能但会影响Mg²⁺、FPP和NAD(P)H的结合亲和力。该研究有助于理解次生代谢产物生物合成途径，基序可能在调控通路以增强代谢产物产量中发挥关键作用。