張鵬研究組揭示真核生物磷脂酶D的結構與機制

  20191016日, Cell research在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究組題為 “Crystal structure of plant PLDα1 reveals catalytic and regulatory mechanisms of eukaryotic phospholipase D”的研究論文。該研究解析了植物磷脂酶Dα1及其與產物磷脂酸(PA)復合體的晶體結構,詳細闡釋了真核生物磷脂酶D催化磷脂產生磷脂酸及其活性調節的分子機制。 

  磷脂酶(Phospholipase, PL)催化細胞膜上磷脂的水解。根據水解部分的不同,人們將磷脂酶分成磷脂酶A1A2C和磷脂酶D (PLD)1)。磷脂酶的功能一方面通過酰基轉移實現細胞內磷脂的重新合成與分配;另一方面水解產生脂質信號分子,調控生物體許多重要生理過程,如PLC水解PIP2產生三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG),PLD水解多種磷脂產生PA。真核生物PLD最先在植物中克隆鑒定,之后在動物及其他生物體中陸續得到鑒定,是生物中高度保守的一類酶。在結構域組成上,PLD包含N端結合磷脂/細胞膜的PX/PH/C2結構域和C端負責催化的HKD結構域。研究發現動物PLD1/2與細胞的生長發育、癌癥發生、神經系統疾病如阿爾茲海默癥、病毒入侵等疾病的發生密切關聯。在植物中,有多達十幾種PLDα1-3β1-2γ1-3δεζ1-2)被陸續鑒定。其中ζ1-2與動物中的PLD1/2相似,均屬于PX/PHPLD,其余屬于植物特有C2PLD。植物PLD在體內參與了多種重要生理與病理過程,包括:低溫/干旱相應、病原侵染、種子萌發、花粉管伸長、根的發育等。然而,相比于其他三類磷脂酶(A1/A2/C),人們對PLD蛋白的三維結構、催化以及活性調控機制缺乏了解。 

  在本研究中,我們以高等植物PLD蛋白作為研究對象,成功表達與純化了有活性的目標蛋白,進而解析了擬南芥PLDα1處于底物非結合態及與產物PA結合態的晶體結構(1)。這是首次獲得真核生物磷脂酶D的三維結構。結構分析揭示了:1)底物的結合口袋是處于兩個HKD結構域之間的一個很大的疏水空腔,口袋上方有一個α螺旋和loop組成的蓋子,在底物非結合態時,蓋子覆蓋在口袋上方,處于關閉狀態;在產物PA(或底物)結合時,蓋子發生構象變化呈開放狀態,允許底物進入或者產物結合與釋放。2)負責催化底物催化的兩個HKD motif呈空間排布且保守,更正了以前文獻報道中的錯誤。3)在活性中心附近存在一個保守的鈣離子結合位點,為C2PLD發揮活性所必須。這一位點在PX/PHPLD中不存在,很好地解釋了為什么C2PLD需要鈣離子激活,而PX/PHPLD發揮活性不需要鈣離子。4C2結構域與催化結構域的互作網絡,C2結構域通過結合質膜/磷脂,從而將PLD定位到細胞膜,同時調節其催化活性。此外,我們的研究還發現已知的動物PLD1/2小分子抑制劑可以抑制PLDα1的活性,表明真核生物PLD蛋白具有相似的結構和催化/抑制機制。這些研究結果使我們對真核生物PLD蛋白的催化和活性調節機制有了全新的認識。研究結果為以真核PLD蛋白為靶標的小分子抑制劑篩選及優化設計指明了方向。 

  中科院分子植物科學卓越創新中心張鵬研究組副研究員李建戌博士和上海師范大學生命科學學院俞芳副研究員是該論文的共同第一作者,張鵬研究員為本論文的通訊作者。該研究得到了中國科學院(先導B、青促會)、科技部、基金委及上海市的項目資助。實驗數據收集工作得到了上海光源19U1/17U1線站的支持與幫助。 

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-019-0244-6 

 

1 脂酶D及晶體結構。 

左圖顯示不同磷脂酶(PLA1PLA2PLCPLD)催化磷脂水解的位點,右圖為磷脂酶D與產物磷脂酸(黃色棍棒模型)結合前后的三維結構疊加圖,顯示底物結合前后的構象變化。 

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