中科大黄成栋和安农大赵剑合作团队解析茶树GS多聚体的结构-功能
2022-01-26 作者: admin 来源: 未知 已阅读次
中国科学技术大学黄成栋教授和安徽农业大学茶树生物学国家重点实验室赵剑教授团队合作，通过解析茶树谷氨酰胺合成酶的功能和结构的关系，阐明了生物体超大蛋白酶如何利用其结构的复杂动态装配精细调控活性的分子机制。相关研究结果以Assembly status transition offers an avenue for activity modulation of a supramolecular enzyme为题发表在eLife（IF 8.14）上。
作为所有生物都必需的氮素同化关键酶，关于GS的研究已持续多年。有趣的是，虽然不同物种之间GS的结构差距很大，但其都遵循二面角对称的基本特征，该结构的进化保守性的生理学意义一直不清楚。该研究发现茶树谷氨酰胺合成酶（CsGS1b）和大豆同源蛋白GmGSβ2虽然氨基酸序列高度同源，但在两个五聚体环的互作界面存在显著的氨基酸变异 (图 1a,1b)。利用SEC-MALS以及负染电镜对其四级结构分析，发现在溶液中GmGSβ2主要以十聚体方式存在；而CsGSIb却呈现出较弱的（解离常数为~0.3μM）五聚体与十聚体的动态平衡 (图. 1c)。单颗粒冷冻电镜技术对其四级结构观察发现这些酶的五聚体与十聚体颗粒高分辨结构，与溶液中得到的一致(图. 1e，f，g)。
对GmGSβ2和CsGSIb酶活性测定发现，以十聚体形式存在的GmGSβ2 GS活性显著(图 2c)，而主要以离散五聚体形式存在的CsGSIb仅有基本水平的酶活(图. 2b)。那为何高度保守的两个同源酶的催化活性有如此显著的差异？
对CsGSIb氨基酸序列进行突变，将其不稳定的五聚体-十聚体平衡态转化为稳定的十聚体，发现其活性显著增加。而没有改变五聚体-十聚体平衡态的突变体酶的活性无显著变化。因而推论CsGSIb酶活性的影响归因于由两个五聚体环之间的远程接触引发的效应 (图. 2)。
为进一步阐明该分子机制，我们用单颗粒冷冻电镜技术解析了GmGSβ2的十聚体以及CsGSIb的五聚体和十聚体的高分辨结构。结果显示十聚体构型的二者结构高度相似，而五聚体的GS则在其酶活催化中心呈现出高度动态的不稳定特性，该不稳定的催化环境使其失去活性 (图. 1) .
上述结果从机理上阐明了GS蛋白的四级结构与其酶活的联系。在生物体内是否存在可诱发GS十聚体组装的因子呢？14-3-3蛋白在真核生物普遍存在，特别是以形成二聚体结构行使其功能。在多种植物中已有报道14-3-3蛋白作为GS的激活子，但其具体的激活机理尚不清楚。基于此，我们提出一个14-3-3蛋白调节GS活性的方案：14-3-3蛋白的一个单体识别GSII五聚体，14-3-3蛋白可形成同源二聚体而拉近2个五聚体，促进其形成十聚体；进而通过催化位点的变构硬化改变了GS活性(图 3a)。在茶树中分析发现茶树Cs14-3-3-1a、Cs14-3-3-1b 与CsGSI在茶树各组织中基因表达模式高度相似(图3b, 3c)。通过BIFC实验验证了Cs14-3-3-1a与CsGSIb在细胞内互作。应用RNAi技术抑制茶树发根中Cs14-3-3-1a的表达则可降低谷氨酰胺的含量和GS酶活力（图 3e-j）。这些数据说明茶树中14-3-3蛋白是CsGSIb的激活子。
该研究为理解为何茶树GS既可利用氨供体，也可利用乙胺供体来转化谷氨酸来分别合成谷氨酰胺和茶氨酸，而大豆和其他植物GS则不能高效合成茶氨酸提供了新视角。
中国科技大学研究生陈瑶、许威亚副研究员和安徽农大于淑伟博士为共同第一作者，湖北大学邢琼教授，安徽农业大学赵剑教授和中国科技大学黄成栋教授为共同通讯作者。研究得到自然科学基金，茶树生物学与资源利用国家重点实验室等项目资助。
责任编辑：千鹤茶苗