陳雷團隊揭示鳥苷酸環化酶催化及活化的詳細分子機制

　　可溶性鳥苷酸環化酶（sGC）是主要的一氧化氮（NO）傳感器。它在NO信號傳導中起重要作用，并且涉及許多基本的生理過程和疾病狀況。NO的結合導致sGC酶活性的顯著增強。然而，NO活化的機制仍未完全了解。

　　2019年9月12日，北京大學陳雷團隊在Nature 在線發表題為“Structural insights into the mechanism of human soluble guanylate cyclase”的研究論文，研究人員使用cryo-EM分別在3.9?和3.8?的分辨率下確定人α1β1 sGC全酶在無活性和NO活化狀態下的結構。另外，該研究還獲得了組成型活性β1H105C突變體的6.8?分辨率cryo-EM圖譜。

　　這些結構不僅揭示了詳細的域  -域接口，還揭示了人類sGC的激活機制。這些結構表明換能器模塊橋接NO傳感器模塊和催化模塊。與β1血紅素  -一氧化氮和/氧結合（H-NOX）結構域的NO結合，不會觸發傳感器模塊的結構重排和換能器模塊的彎曲矯直構象開關。由此產生的催化結構域的N末端的運動驅動催化模塊內的結構變化，這反過來促進sGC酶活性。

　　一氧化氮（NO）是一種獨特的氣體信號分子，參與許多重要的生理過程，如血管擴張，神經傳遞，血小板聚集，免疫，細胞增殖和線粒體呼吸過程。NO信號傳導失調與心血管疾病，敗血癥，急性肺損傷和多器官功能衰竭有關。NO合成酶（NOS）的激活啟動NO信號，其響應生理刺激而產生NO 。 NO不易滲透靶細胞膜，并且在擴散穿過膜后，其結合并活化可溶性鳥苷酸環化酶（sGC），即主要NO受體。

處于非活動狀態的sGC的結構

　　sGC催化鳥苷三磷酸（GTP）的環化反應，生成無機焦磷酸鹽和二級信使環鳥苷酸（cGMP）。然后cGMP作用于下游效應子，包括cGMP調節的蛋白激酶，磷酸二酯酶和離子通道，以調節細胞中的生理過程。人類sGC的基因突變與冠狀動脈疾病，賁門失弛緩癥和高血壓相關，是治療肺動脈高壓和慢性心力衰竭的有效藥物靶點。幾個世紀以來，NO供體硝酸甘油已被廣泛用于緩解心絞痛，而sGC刺激劑riociguat已被批準用于治療肺動脈高壓。sGC激活劑和刺激劑在纖維化疾病，系統性硬化癥，慢性腎病，神經保護，癡呆和鐮狀細胞病中也具有治療潛力。

處于NO活化狀態的sGC的結構

　　sGC是由一個α亞基和一個β亞基組成的異二聚體蛋白復合物。在人體中，α1和β1亞基在許多組織中廣泛表達，而α2和β2亞基的表達是組織特異性的。α和β亞基在一定程度上具有序列同源性，并且類似地組織成模塊結構域，包括N-末端血紅素  -一氧化氮和氧結合（H-NOX）結構域，Per / Arnt / Sim（PAS）結構域， 卷曲螺旋（CC）結構域和C末端催化結構域。PAS和CC結構域介導蛋白質  -蛋白質相互作用，催化結構域負責酶活性。β亞基的H-NOX結構域含有亞鐵b型血紅素修復基團，其促進NO的高親和力結合。在病理條件或氧化應激下，鐵血紅素可被氧化成鐵血紅素，血紅素氧化的sGC即使在NO存在下也具有低活性。

sGC換能器和催化模塊的結構處于NO激活狀態

　　迄今為止，通過X射線晶體學或NMR已經解決了幾個孤立的sGC結構域的結構。這些結構包括人β1H-NOX，Manduca sexta αPAS結構域，人β1CC結構域和人α1β1催化結構域異二聚體。最近的冷凍電子顯微鏡（EM）研究揭示了全長哺乳動物sGC的一般形狀，分辨率為25-40?，氫氘交換實驗將NO誘導的結構變化映射到全長sGC的一級序列上。盡管這些開創性的結構努力，遠端催化結構域響應NO與βH-NOX結構域的結合激活的變構機制在原子水平仍然不清楚，主要是由于缺乏完整sGC的高分辨率結構信息。

NO活化期間sGC的整體結構重排

　　在這里，研究人員使用cryo-EM分別在3.9?和3.8?的分辨率下確定人α1β1 sGC全酶在無活性和NO活化狀態下的結構。另外，該研究還獲得了組成型活性β1H105C突變體的6.8?分辨率cryo-EM圖譜。這些結構不僅揭示了詳細的域  -域接口，還揭示了人類sGC的激活機制。這些結構表明換能器模塊橋接NO傳感器模塊和催化模塊。與β1血紅素  -一氧化氮和氧結合（H-NOX）結構域的NO結合，不會觸發傳感器模塊的結構重排和換能器模塊的彎曲矯直構象開關。由此產生的催化結構域的N末端的運動驅動催化模塊內的結構變化，這反過來促進sGC酶活性。

　　參考消息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-019-1584-6