Biosynthesis of Isoprene Units: Mössbauer Spectroscopy of Substrate and Inhibitor Binding to the [4Fe-4S] Cluster of the LytB/IspH Enzyme**
- 作者
- Annegret Ahrens- Botzong, Karnjapan Janthawornpong, Juliusz A. Wolny, Erasmienne Ngouamegne Tambou, Michel Rohmer, Sergiy Krasutsky, C. Dale Poulter, Volker Schünemann, Myriam Seemann
- 杂志
- Angewandte Chemie International Edition（2011）
- DOI
- 10.1002/anie.201104562
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
阐明LytB/IspH酶中[4Fe-4S]簇与底物及抑制剂结合的分子机制，为开发以MEP途径为靶点的新型抗菌药物提供结构基础。
研究策略
利用场依赖Mössbauer光谱研究底物HMBPP和两种新合成抑制剂（氨基类似物2和硫醇类似物3）与[4Fe-4S]2+簇的结合模式，并结合DFT量子化学计算模拟底物/抑制剂与簇的络合结构。
研究路线图
核心内容
该研究通过场依赖穆斯堡尔谱学结合DFT计算，系统解析了MEP途径关键酶LytB/IspH中[4Fe-4S]簇与底物及抑制剂的结合机制。研究者以大肠杆菌LytB为对象，测定了底物HMBPP及两种新合成抑制剂（氨基类似物2和硫醇类似物3）与[4Fe-4S]2+簇的配位模式。结果显示，底物结合后独特第四个铁位点的异构位移由0.89 mm/s降至0.64 mm/s，证实羟基直接配位；氨基类似物结合后该位点δ=0.61 mm/s，同样发生直接配位；而硫醇类似物结合后所有铁位点恢复电子离域，δ≈0.45 mm/s。两种抑制剂的IC50分别为0.15 μM和0.21 μM，均优于此前报道的3-丁炔基二磷酸（IC50=0.45 μM）。高场谱确认各复合物均处于抗磁性基态。该工作首次从原子水平证实LytB催化第一步是底物羟基配位到簇的顶端铁原子，为基于该机制的抗菌药物理性设计提供了直接的结构依据。
创新点
首次对底物结合态及抑制剂结合态的[4Fe-4S]2+ LytB开展场依赖Mössbauer光谱研究；发现氨基和硫醇类似物直接配位到独特的第四个铁位点；两种抑制剂的IC50值（0.15 μM和0.21 μM）优于此前已知最好的抑制剂。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径 | lytB/ispH | LytB/IspH | 催化 | 含有氧敏感的[4Fe-4S]2+簇，催化HMBPP(1)转化为IPP和DMAPP的混合物 |
关键发现
- 氨基类似物2对大肠杆菌LytB的IC50为0.15 μM，硫醇类似物3的IC50为0.21 μM，均优于已报道的3-丁炔基二磷酸（IC50=0.45 μM）
- 底物HMBPP结合后，独特第四铁位点的异构位移从0.89 mm/s降至0.64 mm/s，说明底物羟基直接配位
- 氨基类似物结合后该位点δ=0.61 mm/s，也发生直接配位
- 硫醇类似物结合后光谱只需两组分，所有铁位点δ≈0.45 mm/s，表明四个铁均处于Fe2.5+态并恢复电子离域
- 高场Mössbauer谱确认各复合物[4Fe-4S]2+簇均为抗磁性基态。
研究结论
底物HMBPP的羟基、氨基类似物的氨基以及硫醇类似物的硫醇基均直接配位到[4Fe-4S]2+簇的独特第四个铁位点，证实LytB催化反应的第一步是底物羟基结合到簇的顶端铁原子，该机制为设计高效LytB抑制剂提供了依据。