Structural and functional characterization of the Vindoline biosynthesis pathway enzymes of Catharanthus roseus
- 作者
- Bilal Ahmad, Anindyajit Banerjee, Harshita Tiwari, Shrabasti Jana, Sudeshna Bose, Saikat Chakrabarti
- 单位
- Department of Structural Biology and Bioinformatics Division, Council of Scientific and Industrial Research, CSIR- Indian Institute of Chemical Biology, Kolkata, WB, India
- 杂志
- Journal of Molecular Modeling（2018）
- DOI
- 10.1007/s00894-018-3590-2
- 所属领域
- 合成生物学/结构生物学
- 关键词
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解决的核心问题
文多灵生物合成途径中的酶虽然已经鉴定并已知氨基酸序列，但其三维结构未知，导致对底物结合和催化机制的理解有限。
研究策略
利用同源建模、分子对接和分子动力学模拟，对文多灵生物合成途径中六个酶的3D结构进行预测，并分析底物与辅因子的结合模式。
研究路线图
核心内容
该研究针对长春花文多灵生物合成途径中六个关键酶（包括Tabersonine-16-hydroxylase、Tabersonine-O-methyltransferase、Tabersonine-3-oxygenase、Tabersonine-N-methyltransferase、Deacetoxyvindoline-4-hydroxylase和Deacetylvindoline-O-acetyltransferase）三维结构未知的问题，采用同源建模、分子对接和分子动力学模拟方法系统预测了这些酶的空间结构及其与底物、辅因子的结合模式。模型显示序列与模板一致性介于25%至48%之间，Ramachandran图中超过97%的残基位于允许区，表明结构预测可靠。研究共鉴定出61个底物结合残基，其中10个形成氢键、59个参与非键相互作用；分子对接的代表性构象结合自由能ΔG在-6.04至-8.91 kcal/mol之间，分子动力学模拟显示约70%的配体-活性位点距离偏差在4 Å以内，活性位点残基波动约70%在±2 Å内，验证了复合物构象的稳定性。该工作首次为文多灵生物合成途径全部六个酶提供了计算结构模型和酶-底物结合框架，深化了对底物识别与催化机制的理解，为通过蛋白质工程改造这些酶以提升文多灵大规模生物合成效率奠定了结构基础。
创新点
首次提供了文多灵生物合成途径全部六个酶的计算结构模型及酶-底物复合物结合模式，并通过进化保守性分析和分子动力学验证了预测的可靠性。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Tabersonine-16-hydroxylase | 催化 | 细胞色素P450酶，含heme辅因子，催化tabersonine C-16位羟基化，模板PDB:3QZ1 |
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Tabersonine-O-methyltransferase | 催化 | 依赖SAM/SAH的甲基转移酶，催化16-羟基tabersonine的O-甲基化，模板PDB:1ZG3 |
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Tabersonine-3-oxygenase | 催化 | 细胞色素P450酶，含heme辅因子，催化16-羟基tabersonine的3-氧化，模板PDB:3SWZ |
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Tabersonine-N-methyltransferase | 催化 | SAM依赖性甲基转移酶，催化3-羟基-16-甲氧基-2,3-二氢tabersonine的N-甲基化，模板PDB:3BUS |
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Deacetoxyvindoline-4-hydroxylase | 催化 | 依赖于Fe2+的双加氧酶，催化deacetoxyvindoline的4-羟基化，模板PDB:1GP6 |
| — | 文多灵生物合成途径 | — | Deacetylvindoline-O-acetyltransferase | 催化 | BAHD超家族乙酰转移酶，含acetyl-CoA辅因子，催化deacetylvindoline的O-乙酰化，模板PDB:2BGH |
关键发现
- 构建了六个酶的3D模型，序列一致性与模板为25%至48%
- Ramachandran图中97%以上残基位于允许区
- 共鉴定61个底物结合残基，其中10个形成氢键，59个参与非键相互作用
- 分子对接显示代表性构象的ΔG在-6.04至-8.91 kcal/mol之间，Cyscore在-2.119至-4.693之间
- 分子动力学模拟表明约70%的配体-活性位点距离偏差在4 Å以内，81%在6 Å以内
- 活性位点残基波动约70%在±2 Å内。
研究结论
该研究为文多灵生物合成酶的结构与功能关系提供了基础框架，有助于通过蛋白质工程实现文多灵的大规模生物合成。