An in-silico insight into the substrate binding characteristics of the active site of amorpha-4, 11-diene synthase, a key enzyme in artemisinin biosynthesis

作者: Habib Eslami, Seyed Kaveh Mohtashami, Maryam Taghavi Basmanj, Maryam Rahati, Hamzeh Rahimi
单位: Department of Pharmacology, Molecular Medicine Research Center, Hormozgan Health Institute, School of Pharmacy, Hormozgan University of Medical Sciences, Bandar Abbas, Iran; Crop Genetic Engineering Group- Biofuel Research Team (BRT), Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran (ABRII), Karaj, Iran; Biotechnology Research Center, Molecular Medicine Department, Pasteur Institute of Iran, Tehran, Iran
杂志: Journal of Molecular Modeling（2017）
DOI: 10.1007/s00894-017-3374-0
所属领域: 合成生物学
关键词: Amorpha-4,11-diene synthaseArtemisininHomology modelingMolecular dynamicsSubstrate binding site
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解决的核心问题

解析青蒿素生物合成关键酶amorphadiene synthase (ADS)活性位点的底物结合特征，为酶工程改造以提高青蒿素产量提供结构基础。

研究策略

基于5-epi-aristolochone synthase (TEAS)晶体结构进行同源建模，结合分子动力学模拟分析FPP底物和Mg2+在活性位点的结合模式。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究通过计算模拟手段解析了青蒿素生物合成关键酶amorphadiene synthase（ADS）活性位点的底物结合特征。研究者基于结构已知的5-epi-aristolochone synthase晶体结构进行同源建模，并结合分子动力学模拟分析了法尼基焦磷酸（FPP）底物和Mg2+辅因子在活性位点的结合模式。模拟结果表明，ADS活性位点由D螺旋、H螺旋以及一个环区（第519–532位氨基酸）共同构成，并鉴定出DDTYD（299–303）和NDLMT（443–447）两个金属结合基序。分析确定了Tyr519、Asp444、Trp271、Asn443、Thr399、Arg262、Val292、Gly400和Leu405等多个关键残基对底物构象选择和立体化学结果的决定作用。分子动力学模拟进一步显示，cis-FPP与活性位点形成的氢键数量（6个）多于trans-FPP（3个），且结合能更负（cis为–1900 kJ/mol，trans为–1700 kJ/mol），表明cis构型底物具有更优的结合亲和力。该研究首次从结构层面阐明了ADS中FPP和Mg2+空间定位的分子机制，为通过酶工程改造提升青蒿素产量提供了理论依据。

创新点

首次通过计算模拟阐明ADS活性位点由D和H螺旋及一个环区(aa519-532)组成，鉴定出DDTYD和NDLMT两个金属结合基序，并确定关键残基对底物构象选择的作用。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
—	青蒿素生物合成	ADS	amorphadiene synthase (ADS)	催化	催化FPP环化生成amorpha-4,11-diene的第一步关键酶
—	青蒿素生物合成	—	farnesyl pyrophosphate (FPP)	催化	底物分子，与镁离子结合
—	青蒿素生物合成	—	Mg2+	催化	三个镁离子在活性位点与DDTYD和NDLMT基序结合

关键发现

鉴定出DDTYD(299-303)和NDLMT(443-447)为金属结合基序
活性位点由D和H螺旋及环区(aa519-532)组成
关键残基Tyr519、Asp444、Trp271、Asn443、Thr399、Arg262、Val292、Gly400和Leu405决定FPP结合模式和立体化学结果
MD模拟显示cis-FPP比trans-FPP形成更多氢键（6个 vs 3个），且结合能更负（cis -1900 kJ/mol vs trans -1700 kJ/mol）
Mg2+结合几何和距离数据在Table 1中给出。

研究结论

ADS活性位点的结构细节揭示了FPP和Mg2+空间定位的机制，为设计具有更高催化活性的工程酶以提高青蒿素产量提供了理论基础。