12月22日，國際學術期刊Cell Discovery在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)丁建平研究組的最新研究成果“Structure and allosteric regulation of human NAD-dependent isocitrate dehydrogenase”。該工作揭示了人源NAD依賴型異檸檬酸脫氫酶(NAD-IDH, IDH3) (α2βγ)2八聚體的組裝和變構調(diào)控的分子機制。
異檸檬酸脫氫（IDH）負責催化異檸檬酸(ICT)氧化脫羧生成α-酮戊二酸(α-KG)，是三羧酸循環(huán)中重要限速酶。在人和其他高等真核生物細胞中，存在依賴于NADP和NAD二種輔酶的IDH（NADP-IDH和NAD-IDH）。人源NADP-IDH有二種，分別定位于細胞質(zhì)和線粒體中（IDH1和IDH2），它們在細胞氧化損傷和脂類合成中發(fā)揮重要作用。近期研究表明，IDH1和IDH2在活性反應中心關鍵氨基酸的突變導致原有酶活的喪失，但產(chǎn)生了一種新的催化功能，與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展直接相關。人源NAD-IDH（IDH3）定位于線粒體，在三羧酸循環(huán)中發(fā)揮功能。
丁建平研究組前期對NADP-IDH做了大量的研究工作，相繼解析了人源IDH1 (J. Biol. Chem. 2004)、IDH1 R132H突變體 (Cell Res. 2010)和酵母線粒體NADP-IDH (Protein Sci. 2008)的結構，揭示了這些酶發(fā)揮催化反應的分子機制。近年來，致力于人源NAD-IDH（IDH3）的結構、功能和調(diào)控機制的研究。對人源IDH3的生化研究表明，人源IDH3由α, β和γ三個亞基組成，它們組成αβ和αγ兩個異源二聚體，再組裝成α2βγ異源四聚體，并進一步組裝成八聚體；αγ二聚體和α2βγ四聚體具有類似的酶學性質(zhì)，都能夠受到一系列代謝小分子的異構調(diào)控，但αβ二聚體不能被調(diào)控；在α2βγ四聚體中，α亞基發(fā)揮催化功能，γ亞基發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，而β亞基只發(fā)揮結構功能（Sci. Rep. 2017a）。進一步的結構和功能研究揭示了αγ二聚體能夠被CIT、ADP和低濃度ATP激活、NADH和高濃度ATP抑制，而αβ二聚體不能被代謝小分子激活但能被NADH抑制的分子機制。但到目前，人們對αβ和αγ兩個二聚體是如何組裝成α2βγ四聚體、并進一步組裝成八聚體并發(fā)揮協(xié)同功能的分子機制還不清楚。
丁建平研究組成功解析了人源IDH3八聚體(α2βγ)2在未結合底物和配體（Apo）、處于非激活狀態(tài)下的晶體結構。結構和功能分析表明，αγ和αβ通過clasp結構域相互作用形成α2βγ四聚體，兩個四聚體再進一步通過γ亞基的N端插入到β亞基的back cleft組裝成穩(wěn)定的八聚體(α2βγ)2。通過這種組裝方式，4個催化α亞基處于IDH3八聚體的外側，有利于底物ICT和輔酶NAD的結合和催化反應的進行。γ亞基通過αγ-αβ相互作用界面的clasp結構域?qū)⒆儤嬚{(diào)控信號傳遞至兩個催化亞基。γ亞基的N端與β亞基的相互作用不僅在八聚體的組裝中起決定作用，還在四聚體-四聚體相互協(xié)同功能中發(fā)揮重要作用。該工作不僅闡明了人源IDH3全酶的組裝機制和別構調(diào)控機制，也為研究其他高等真核生物NAD-IDH的組裝和調(diào)控機制提供了基礎。
丁建平組研究生孫鵬凱為本文的第一作者，丁建平研究員為通訊作者。感謝國家蛋白質(zhì)科學研究設施（上海）規(guī)模化蛋白質(zhì)制備系統(tǒng)和上海同步輻射光源17U1線站工作人員的幫助。該研究工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部和中科院的經(jīng)費支持。
人源IDH3八聚體(α2βγ)2全酶的組裝機制和別構調(diào)控機制
