科學家解析膜蛋白DGGGPase結構與功能

　　膜脂是細胞膜的重要組成部分，主要由脂類分子以雙分子層的形式構成的膜骨架。微生物在生長過程中，生物膜脂的合成與代謝調控具有重要作用。雖然微生物細胞膜脂質合成的主要機制已被闡明，但古細菌細胞膜的甘油磷脂生物合成機制，由于涉及膜內多個蛋白的參與，目前仍不完全清晰。

　　其中，古細菌膜脂關鍵合成酶CDP-archaeol synthase（ApCarS）上游參與 CDP-archaeol合成的膜蛋白DGGGPase（Digeranylgeranylglyceryl phosphate synthase），其蛋白結構還未被解析。

　　北京時間2020年10月20日晚23時，四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室程偉教授團隊與荷蘭皇家科學院Arnold J.M. Driessen院士團隊合作在Cell Reports雜志發表了題為“Structural and functional insights into an Archaeal lipid synthase”的研究成果。

　　研究團隊首先利用化學合成的GGGP和GGPP做底物，將純化后的DGGGPase作催化物在體外生物合成出了DGGGP；同時在不同金屬離子的條件下，測定了DGGGPase的相關酶活；再然后通過蛋白質序列的分析表明DGGGPase是UbiA超家族一員。

　　接下來，研究團隊對DGGGPase的晶體結構進行了解析，發現DGGGPase結構中有九個跨膜螺旋，以及一個被胞質帽結構域覆蓋的大的側開口和一個獨特的結合底物的中央空腔，該結構與2014年程偉在美國做博士后期間解析的古細菌細胞膜內異戊二烯基轉移酶UbiA的晶體結構類似[1]。該發現明確了DGGGPase是UbiA家族成員，并在體外證明了其催化活性。

　　同時，研究人員還發現DGGGPase可以與GGGP和GGPP同時結合形成復合物。 根據發現的結構和對生化功能的解析，研究人員提出了DGGGPase參與脂質合成的分子機制：DGGGPase可以通過與底物GGGP結合觸發柔性片段CHL23的移動；但此時，柔性區域CHL67是靜態的：當催化反應發生時，CHL67可以向內移動到活性位點，CHL23和CHL67協調中間體的頭基，然后TM1和TM9的螺旋協同地跟隨CHLs的移動形成更大的側向開口，最終與鄰近該開口的疏水殘基結合，并釋放產物。該發現不僅闡明了DGGGPase在古細菌細胞膜合成中的作用機制，而且開發出了一種獨特的檢測雙底物都是脂類分子的體外酶活鑒定方法，可用于對多種活性酶的鑒定與分析。

　　在本次對DGGGPase的研究前，程偉課題組已經對微生物膜脂合成的機制進行了系統性的研究，相繼在Science、Nature Communications、Cell Research發表研究論文，分別解析了古細菌UbiA的晶體結構、醌類分子維生素K的環氧化還原酶（vitamin K epoxide reductase，VKOR）的蛋白結構，以及古細菌膜脂關鍵合成酶CDP-archaeol synthase（ApCarS）的蛋白結構。這些研究成果為生物的進化提供了新的見解。