1月12日，國際學(xué)術(shù)期刊Cell Discovery在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）丁建平研究組的最新研究成果“Structure, substrate specificity, and catalytic mechanism of human D-2-HGDH and insights into pathogenicity of diseases associated mutations”。該工作揭示了人源FAD依賴的D-2-羥戊二酸脫氫酶（D-2-HGDH）對底物特異性識別和催化反應(yīng)的分子機制，闡述了D-2-HGDH突變體在遺傳學(xué)疾病D-2-羥戊二酸尿酸癥發(fā)生中的作用。
2-羥戊二酸（2-HG）是正常細(xì)胞代謝過程中一些酶促反應(yīng)的副產(chǎn)物，根據(jù)連有羥基的第二位碳原子的手性不同，分為D型和L型。體內(nèi)2-HG的過度積累會導(dǎo)致2-羥基戊二酸尿癥（2-HGA），并與多種惡性腫瘤相關(guān)。人線粒體中存在二種功能酶—D-和L-2-HG脫氫酶（D-和L-2-HGDH），它們以FAD為輔酶分別催化D-和L-2-HG氧化脫氫生成2-OG，從而將細(xì)胞內(nèi)的2-HG含量保持在一個較低的水平（約<100mM）。2-HGA是一種罕見的常染色體隱性遺傳神經(jīng)代紊亂性疾病，以患者的血、尿及腦脊液中2-HG濃度升高為主要特點；臨床上根據(jù)病人尿液中2-HG的種類，可以分為D-2-HGA、L-2-HGA以及混合型D,L-2-HGA三種類型?；颊咴谂R床上表現(xiàn)為不同程度的發(fā)育遲緩、智力減退、癲癇、腦部異常等癥狀，該病目前尚無有效的治療手段。D-2-HGDH基因突變使得D-2-HGDH的功能損傷，導(dǎo)致D-2-HG的積累，進(jìn)而引發(fā)I型D-2-HGA。異檸檬酸脫氫酶2（IDH2）突變后獲得新的催化活性，能將2-OG還原成D-2-HG，也導(dǎo)致D-2-HG在細(xì)胞中大量積累，引發(fā)II型D-2-HGA。另外，D-2-HGDH的基因突變也與彌散性大B細(xì)胞淋巴瘤的發(fā)生相關(guān)。目前，對D-2-HGDH特異性識別底物和發(fā)揮催化功能的分子機制、以及突變與疾病發(fā)生的關(guān)系還不清楚。
丁建平組博士研究生楊俊和朱涵文首次解析了人源D-2-HGDH結(jié)合FAD以及結(jié)合底物D-2-HG、D-蘋果酸、D-乳酸、L-2-HG和2-OG的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，D-2-HGDH包含一個FAD結(jié)合結(jié)構(gòu)域、底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域、以及C-末端結(jié)構(gòu)域；活性反應(yīng)中心位于FAD結(jié)合結(jié)構(gòu)域和底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域的界面上。進(jìn)一步運用生化方法對參與輔酶和底物結(jié)合以及催化反應(yīng)的關(guān)鍵氨基酸殘基的功能進(jìn)行了驗證。基于結(jié)構(gòu)和功能分析結(jié)果，揭示了D-2-HGDH對底物特異性識別和催化反應(yīng)的分子機制，闡述了D-2-HGDH突變體在疾病發(fā)生中的作用。這一工作也為臨床藥物設(shè)計以及疾病治療提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
丁建平組博士研究生楊俊和朱涵文為本文的共同第一作者，丁建平研究員為通訊作者。感謝國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施（上海）和上海同步輻射光源線站工作人員的幫助。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院的經(jīng)費支持。
D-2-HGDH的結(jié)構(gòu)、對底物特異性識別以及突變對結(jié)構(gòu)和功能的影響
