酶催化，一期2篇《Nature》正刊！

通过催化微生物生成甲烷，甲基辅酶M还原酶在这种全球温室气体水平较高的时代具有重要作用。甲基辅酶M还原酶的活性受到几种独特的翻译后修饰的影响，如由甲烷生成标记蛋白10 (Mmp10)催化的独特的C甲基化反应，这是一种自由基S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)酶。

近日，巴黎萨克雷大学Alhosna Benjdia和Olivier Berteau等人报道了一个独特的B12(钴胺素)依赖的自由基SAM酶的光谱研究和Mmp10的原子分辨结构。Mmp10的结构揭示了一个独特的酶结构，具有四个金属中心和催化控制的关键结构特征。此外，酶-底物复合体的结构揭示了一种B12依赖的自由基SAM酶的预催化状态。结合电子顺磁共振波谱、结构生物学和生物化学，这项研究阐明了B12依赖的自由基SAM酶超家族催化的烷基化反应的机理，并确定了独特的活性位点重排，为自由基和亲核化学中SAM辅助因子的双重使用提供了结构上的理论基础。相关工作以“Crystallographic snapshots of a B12-dependent radical SAM methyltransferase”为题发表在最新一期的《Nature》。

图1. MCR和Mmp10活性与Mmp10整体结构有关

Mmp10，已经被证明可以催化这一关键的翻译后修饰，属于一个新兴的B12依赖的自由基SAM酶超家族，它包含超过20万种蛋白质。然而，尽管文献中有大量的生化和光谱研究，但对这些生物催化剂的认识仍然有限。值得注意的是，迄今为止，仅解决了两种依赖于B12的自由基型SAM酶的结构；然而，这些研究存在一些局限性，妨碍了对其催化作用的深入理解。以1.9 Å的原子分辨率对holo-Mmp10的结构进行了求解，并获得了该蛋白411个残基的电子密度。Mmp10以一种独特的方式由两个结构域和一个铁环组成(图1b)。Mmp10的第二个独特特征是存在一个协调单个核铁的环(图1d)，这类似于红氧还蛋白铁环，尽管有不同的方向。

图2. 维生素B12与S-腺苷配体通过Mmp10结合。

B12结合结构域(158个残基)由4个β链和7个α-螺旋组成(图1,2)。这个结构域包含了维系钴胺二甲基苯丙咪唑(DMB)尾部的大部分极性键。在[4Fe-4S]簇和钴胺素之间发现了SAM(或SAH)和Y23分子(图2a)。Y23与四吡咯C8侧链和F24通过π-π相互作用(图2a)，其羟基为钴原子的4.8Å(上轴向配位)，表明Y23对钴的反应性起调节作用。

图3. Mmp10与其肽底物复合物的结构

与此同时，另一篇与B12依赖的自由基SAM酶的相关工作也在同一日发表在《Nature》上。

碳青霉烯类抗生素是临床上的最后手段。由于它们的效力和广谱活性，它们是抗生素武器库的重要组成部分。C6羟乙基侧链将临床上使用的碳青霉烯类与其他类型的β-内酰胺类抗生素区分开来，并负责其低易感性失活封闭水从β-内酰胺酶活性位点。C6羟乙基侧链的构建是由钴胺素或B12依赖的S-腺苷蛋氨酸(SAM)酶介导的。这些自由基SAM甲基化酶(RSMTs)通过顺序甲基化反应组装烷基主链，从而为临床使用碳青霉烯类药物的治疗作用奠定了基础。

近日，宾夕法尼亚州立大学Amie K. Boal、Squire J. Booker和约翰霍普金斯大学Craig A. Townsend等人发现了TokK的X射线晶体结构，它是一种B12依赖的RSMT，在天冬霉素A的生物合成过程中催化三次顺序甲基化。这些结构包含酶的两种金属辅助因子，在碳青霉烯底物存在和不存在的情况下被确定，将B12依赖的RSMT的可视化，该RSMT使用的自由基机制是大多数这些酶所共有的。这些结构提供了对初始C6甲基化的立体化学的洞察，并表明底物的定位决定了其甲基化的速率。相关工作以“Structure of a B12-dependent radical SAM enzyme in carbapenem biosynthesis”为题发表在最新一期的《Nature》。

图1. 碳青霉烯生物合成中Cbl依赖的自由基介导的甲基化

在所有已知的复杂碳青霉烯天然产物的生物合成过程中，C6烷基侧链的组装(图1a)是由依赖钴胺素(Cbl或B12)的自由基SAM酶完成的。这些催化剂可以在控制每个反应的立体化学结果的情况下进行一系列的甲基转移。ThnK的同源物，来自Streptomyces tokunonensis (ATCC 31569)的TokK，构建碳青霉烯的C6异丙基链，天冬霉素A(3)，通过对1进行三次顺序甲基化(图1b)。碳青霉烯C6的烷基链结构需要在未活化的sp3杂化碳之间立体选择性地形成碳-碳键。Cbl依赖的RSMTs是唯一已知的能够进行这种转化的生物催化剂。

图2. TokK在三个区域的界面上结合碳青霉烯基

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04355-9

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04392-4

来源：高分子科学前沿

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