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　　在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金、國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目的資助下，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院“生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)”研究團(tuán)隊(duì)李春教授課題組在物理化學(xué)國(guó)際知名期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》雜志上發(fā)表題為“Design of Glyco-Linkers at Multiple Structural Levels to Modulate Protein Stability” 的研究論文。這項(xiàng)研究由北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院李春教授課題組與中科院高能物理所趙麗娜副研究員課題組合作完成。

圖1 天然糖基化的“連接臂”作用機(jī)制

　　在真核生物中，N-糖基化是一種重要的翻譯后修飾，對(duì)調(diào)控蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。然而，生物體內(nèi)自發(fā)的N-糖基化隨機(jī)性較強(qiáng)，大多的糖基修飾不能處于穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的最佳位點(diǎn)，導(dǎo)致其對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的提升作用不顯著，甚至不合適的N-糖基還會(huì)降低酶的穩(wěn)定性，大大限制了其在蛋白質(zhì)穩(wěn)定性改造中的應(yīng)用。

圖2 人工設(shè)計(jì)的“糖橋”和“糖卡”構(gòu)象顯著提高PGUS的熱穩(wěn)定性

　　北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院李春教授課題組在前期完成晶體結(jié)構(gòu)解析的真菌β-葡萄糖醛酸酶（PGUS，同源四聚體結(jié)構(gòu)）為模型蛋白，并將其在畢赤酵母（能夠在蛋白質(zhì)的特定位點(diǎn)引入高甘露糖型糖鏈）中異源表達(dá)（PGUS-P），驗(yàn)證了蛋白質(zhì)內(nèi)源的Asn383和Asn594位點(diǎn)的糖基化對(duì)PGUS-P的穩(wěn)定性有顯著影響。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，揭示了PGUS-P的兩個(gè)內(nèi)源N-糖基功能類(lèi)似于“連接臂”，能將空間上距離相近的超二級(jí)結(jié)構(gòu)域相連，使得其局部結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高了蛋白質(zhì)的整體穩(wěn)定性（圖1）。以此為啟發(fā)，研究人員通過(guò)對(duì)PGUS的晶體結(jié)構(gòu)分析，在超二級(jí)結(jié)構(gòu)域、結(jié)構(gòu)域、亞基界面間設(shè)計(jì)了N-糖基化位點(diǎn)，進(jìn)一步提高了PGUS-P的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)穩(wěn)定性。酶學(xué)性質(zhì)表征并結(jié)合全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)域界面間的Asn208位糖鏈和周?chē)€(gè)結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生的作用力，形成了“糖橋”構(gòu)型，將蛋白質(zhì)在70°C下的半衰期提高了2.7倍，去折疊自由能提高了8.4 kJ/mol；而在亞基界面間的Asn40位糖鏈通過(guò)和相鄰亞基的作用，形成了“糖卡”構(gòu)型，將熱穩(wěn)定性提高了7.1倍，去折疊自由能提高了14.6 kJ/mol，同時(shí)酶的催化效率也提高了1.7倍（圖2）。

　　研究人員不僅從蛋白質(zhì)多結(jié)構(gòu)層次水平的角度對(duì)糖鏈和蛋白質(zhì)之間的相互作用提供了獨(dú)特的見(jiàn)解，而且促進(jìn)了N-糖基化的理性設(shè)計(jì)，使其成為提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的通用技術(shù)。相關(guān)研究發(fā)表在Journal of Physical Chemistry Letters（2018, 9, 4638?4645，IF="8.709）雜志上，該文章的第一作者是北京理工大學(xué)的馮旭東預(yù)聘助理教授和王小艷博士。

　　生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)（iBT-SynBios）自2005年在北理工成立以來(lái)，專(zhuān)注于抗逆生物催化和合成生物學(xué)的研究，已在Metab Eng、Curr Opin Biotech、AIChE J、J Phys Chem Lett、J Biol Chem、Chem Eng Sci、Chem Eng J、ACS Synth Biol、Nucleic Acids Res、Ind Eng Chem Res和Bioresource Technol等生物化學(xué)工程與化學(xué)工程領(lǐng)域的頂級(jí)期刊上發(fā)表文章120余篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利26項(xiàng)，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。課題組致力于利用合成生物技術(shù)和酶催化技術(shù)革新傳統(tǒng)微生物發(fā)酵與生物轉(zhuǎn)化模式，將繼續(xù)開(kāi)展天然產(chǎn)物合成途徑的構(gòu)建、路徑的優(yōu)化與精確調(diào)控和生物過(guò)程集成的研究，為實(shí)現(xiàn)綠色、高效的藥物、生物基化學(xué)品的生物制造提供新思路和新方法。

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b01570