Nature：重大突破！发现一种以前未知的蛋白交联类型

2021年5月10日讯/生物谷BIOON/---蛋白的特征性形状和功能取决于它的氨基酸组分连接成链的顺序。然而，在氨基酸连接在一起之后，往往会发生进一步的化学修饰。这些修饰包括某些氨基酸残基之间的交联。最常见的交联类型是二硫化物：两个硫原子通过共价键连接。在一项新的研究中，德国研究人员报告了一种完全不同类型的蛋白交联：一个氧原子将一个氮原子连接到一个硫原子（N-O-S）。此外，这些作者提出了证据，表明这种N-O-S桥在以前报道的其他蛋白的结构分析中没有被注意到。相关研究结果于2021年5月5日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A lysine–cysteine redox switch with an NOS bridge regulates enzyme function”。

这些作者正在研究来自淋病奈瑟菌的转醛醇酶（transaldolase），其中淋病奈瑟菌会导致称为淋病的性传播疾病。他们观察到，这种纯化的酶几乎没有活性，但是使用通常用于打破二硫键的还原剂可以恢复它的活性。

为了形成二硫化物，两个沿着蛋白链相隔很远的半胱氨酸残基的侧链必须在空间上靠拢。这些作者注意到转醛醇酶含有几个半胱氨酸残基，因此推断其中的两个半胱氨酸残基可能会形成二硫化物，从而使这种酶失活。然而，当他们用另一个氨基酸单独替换其中的任一个半胱氨酸时，他们发现所产生的突变体酶中只有一种能抵抗失活。如果该酶确实包含一个让酶活性丧失的二硫化物，那么替换两个参与二硫化物形成的半胱氨酸中的任何一个都会产生这种效果。那么，到底发生了什么？

这些作者通过使用X射线晶体学来确定转醛醇酶的原子分辨率结构，解决了这个难题。这一分析揭示了一个半胱氨酸和一个赖氨酸残基之间的共价连接--N-O-S桥，而不是半胱氨酸-半胱氨酸二硫交联（图1）。有趣的是，N-O-S桥中的氧原子并不是来自于这两个氨基酸残基的侧链中的基团（半胱氨酸侧链包含一个硫醇（SH）基团，而赖氨酸侧链包含一个胺基（NH2））。然而，他们在这种蛋白的还原形式（缺乏交联）的晶体结构中看到一个靠近这些侧链的氧分子。这一观察支持了他们的合理推测，即一个氧分子为N-O-S桥贡献了一个氧原子。 蛋白中N-O-S桥的发现是值得注意的，因为产生这种分子基序的非生物反应并不为人所知，可能只有一种不寻常的分子（一种环状芳香族化合物）例外。小分子化学反应中N-O键的形成需要强氧化条件，但这种条件很可能也会使硫原子转化为比N-O-S桥中的硫更高的氧化态。此外，含有N-O-S基序的小分子可能会有发生歧化作用（disproportionation）的危险---在歧化作用中，两个相同的分子相互反应，产生两个不同的产物。在蛋白的背景下，半胱氨酸的硫醇、赖氨酸的胺基和一个氧分子的有利定位可能有助于发生N-O-S形成所需的氧化，而周围蛋白结构施加的空间（立体）限制可能稳定化这种交联并阻止硫的进一步氧化。

图1.在赖氨酸和半胱氨酸残基之间形成N-O-S桥，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03513-3。

这些作者推测了可能的N-O-S桥形成机制，有利于将羟基（OH）添加到半胱氨酸的硫原子和赖氨酸侧链的胺基上的反应。鉴于N-O-S交联的新颖性和这项研究的重点是结构生物学，这种化学机制的重要细节还有待解决。具体来说，氧分子被激活参与这一反应的方式没有被描述。许多与分子氧发生的化学反应涉及自由基，因此在产生N-O-S桥的机制中应明确考虑自由基途径。

另一个机制上的问题是这种交联如何影响酶的活性。发生交联的转醛醇酶的催化部位的结构与非发生交联的转醛醇酶的催化部位只有微小的差别。因此，N-O-S桥的形成如何抑制催化作用并不明显。这些作者将注意力集中在这些微小的结构差异上，但他们也观察到，发生交联的转醛醇酶比非发生交联的转醛醇酶更能抵抗热诱导的解折叠。这一结果并不令人惊讶，这提示着发生交联的转醛醇酶经历了较少的可能导致解折叠的构象波动。较小规模的波动可能是催化活性所必需的，也可能被N-O-S交联的存在所抑制。

使用二硫键来调节蛋白功能与使用N-O-S桥之间存在着一个关键的概念差异。二硫键的形成在化学上是可逆的，这意味着在生物系统中，二硫化物经常在与其他含有二硫化物或硫醇的分子的“交换”反应中产生和破坏。相比之下，N-O-S连接是通过不同的化学反应形成的，也就是说，分子氧被用来形成N-O-S桥，但在N-O-S桥被破坏时分子氧不会释放。

此外，这些反应的热力学表明，形成N-O-S桥是困难的，但打破它是容易的。因此，N-O-S交联可能已经进化到能够在二硫化物保存的条件下对酶进行选择性激活。现在可以探索N-O-S桥赋予的特殊优势，以及它比二硫化物更有用的生物情景。

一种新的蛋白连接的发现的影响超出了所研究的转醛醇酶和N-O-S交联本身的具体情况。也许令人惊讶的是，当有高分辨率的X射线数据时，生成蛋白结构模型的任务有时更困难。在低分辨率下，蛋白构象或化学成分的变化可能被埋没在数据的噪声中，但这种异质性在高分辨率下是可见的，因此必须加以解释。这些数据中也可能隐藏着意想不到的化学基团。这项新的研究将激励结构生物学家研究生物分子电子密度图中与预期的偏差。

长期以来，人们一直认为酶是世界上最好的有机化学家，因为它们可以促进那些在没有它们的情况下几乎不可能发生的反应。这些发现表明，酶本身的共价化学也可以违背化学直觉。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Marie Wensien et al. A lysine–cysteine redox switch with an NOS bridge regulates enzyme function. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03513-3.

Deborah Fass et al. Previously unknown type of protein crosslink discovered. Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-01135-3.