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《自然》子刊:上海交大团队发现NicX的催化反应机理

olivia chan

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吡啶环是一种吡啶氧基衍生物,天然植物生物碱和辅酶的主要成分。它在水中具有良好的溶解度,很容易通过传播进入地下水,对人类以及其他生物的健康带来威胁。吡啶开环反应步骤是此类污染物大多数化学和基于酶的降解过程的共同特征,但对此类反应的了解相对较少。其中,2,5-羟基吡啶(DHP),是许多吡啶衍生物的分解代谢的代谢中间体,也是潜在的致癌物质。

日前,上海交通大学生科院的唐鸿志课题组针对NicX的动力学、突变和结构进行研究,并阐明了NicX如何选择性识别DHP。

为了更好地了解NicX如何选择性地识别其底物DHP,团队采用了硒蛋氨酸(SeMet)的定相策略,显示出静止的均六聚NicX结构以及NicX–DHP–NFM复杂结构。通过对上述结构的检查,团队发现,NicX的四个残基(His 265,Ser 302,His 318,Asp 320)与铁离子结合。此外,Leu 104和His 105在DHP结合的单体与NFM结合的单体中适应不同的构象。通过分子建模,分子动力学模拟和量子力学计算与晶体学3D结构数据相结合,团队提出了NicX可能的催化机理。

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(NicX催化DHP降解的可能途径,其中双氧从环的中间位置(途径IA,粉红色;途径IB,途径青色)或顶端位置(途径II,浅绿色)攻击)。图片摘自论文。)

虽然NicX是非血红素铁(II)环裂解双加氧酶的亚型定义成员,但其总体催化机理与其他非血红素铁(II)双加氧酶具有某些相似之处。基于其它的Fe(II)-依赖性双加氧酶的研究,并通过结构计算分析,研究团队提出了两种可能的赤道和根尖分子氧的催化机制,并计算出这些途径的能量学。有趣的是,研究并未发现NicX对DHP以外的底物具有活性。

综上所述,研究确定了吡啶环裂解酶的晶体结构。对恋臭假单胞菌NicX的结构和计算研究揭示了双加氧酶使用的环裂解机制。研究加深了对非血红素Fe(II)环裂解二氧酶家族酶如何与其芳香族和杂环底物相互作用的理解。

该研究成果以论文形式在线发表于Nature Communicatons,题为“Structure-guided insights into heterocyclic ring-cleavage catalysis of the non-heme Fe (II) dioxygenase NicX”。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21567-9


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