青島能源所揭示纖維小體中一種獨特模塊的結構和組裝機制
纖維小體是一種由多種木質(zhì)纖維素降解酶組裝而成的多酶復合物,在生物能源開(kāi)發(fā)和生物技術(shù)領(lǐng)域具有重要價(jià)值。纖維小體多樣化的組成和復雜的組裝方式賦予其卓越的底物降解能力,破譯其復雜組裝機制對于理解其高效性并加以應用具有重要意義。青島能源所代謝物組學(xué)研究組解析了一種獨特的纖維小體組裝模塊——雙對接模塊的結構和組裝方式,揭示了纖維小體組裝與調控的復雜性和多樣性,該成果近日發(fā)表于國際期刊《Protein Science》上。
纖維小體是通過(guò)腳架蛋白和酶蛋白組裝形成的分子機器。腳架蛋白不具有催化活性,主要由串聯(lián)的粘連模塊組成;酶蛋白帶有一種稱(chēng)為對接模塊的結構域,與腳架蛋白上的粘連模塊形成特異性的相互作用,從而組裝成大分子復合體。這種復雜組裝是纖維小體高效作用的基礎。青島能源所代謝物組學(xué)研究組對纖維小體的結構、功能、調控開(kāi)展了系統長(cháng)期的研究,并在此基礎上開(kāi)發(fā)了基于纖維小體的生物質(zhì)能源應用技術(shù)。最近的組學(xué)數據顯示,纖維小體中的酶組分通常只帶有一個(gè)對接模塊,但一些細菌的纖維小體還含有兩個(gè)甚至多個(gè)對接模塊串聯(lián)而成的特殊模塊,它們在纖維小體組裝中的作用尚不清楚。研究團隊發(fā)現熱纖梭菌纖維小體中存在一個(gè)蛋白酶組分,該組分具有串聯(lián)的雙對接模塊,研究人員對該雙對接模塊的結構和組裝模式進(jìn)行了深入的研究(圖1)。通過(guò)對雙對接模塊進(jìn)行晶體和核磁共振結構解析,發(fā)現雙對接模塊具有兩個(gè)典型的對接模塊結構,但第一個(gè)模塊上存在一種新型的反平行β-片式的分子內扣,而且每個(gè)模塊用于結合粘連模塊的互作位點(diǎn)與已知的常規模塊相比存在差異。進(jìn)一步的相互作用實(shí)驗分析表明,兩個(gè)對接模塊中只有第一個(gè)參與組裝,且偏好結合在一種特殊的只有一個(gè)粘連模塊的腳架蛋白上,可能用于調控纖維小體的組裝。此外,研究人員發(fā)現該雙對接模塊能夠罕見(jiàn)的跨物種結合另一種細菌(解纖維梭菌)的粘連模塊,為微生物種群中可能存在“共生纖維小體”提供了新的實(shí)例。該研究揭示了雙對接模塊獨特的組裝方式和機制,為纖維小體復雜組裝的研究和應用提供了基礎。
圖1 熱纖梭菌雙對接模塊的結構和組裝機制。
(A) 雙對接模塊在纖維小體中的組裝方式示意圖。(B-C) 雙對接模塊的結構顯示它的兩個(gè)對接模塊間存在相互作用,并且第一個(gè)對接模塊存在新型的分子內扣。(D-E) 核磁共振和等溫滴定量熱測定表明該雙對接模塊偏向結合特殊腳架ScaD,并且能夠跨物種結合解纖維梭菌的粘連模塊。
該研究由代謝物組學(xué)研究組馮銀剛研究員帶領(lǐng)完成,副研究員陳超和科研助理楊洪武(現南開(kāi)大學(xué)在讀博士生)為論文共同第一作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、青島能源所國際合作等項目的資助。(文/圖 陳超、馮銀剛)。
文章鏈接:https://doi.org/10.1002/pro.4937
Chao Chen#,Hongwu Yang#,Sheng Dong,Cai You,Sarah Mora?s,Edward A. Bayer,Ya-Jun Liu,Jinsong Xuan,Qiu Cui,Itzhak Mizrahi,Yingang Feng* (2024) A cellulosomal double-dockerin module from Clostridium thermocellum shows distinct structural and cohesin-binding features. Protein Science 33(4):e4937.
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