10月20日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications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“Lactate dehydrogenase D is a general dehydrogenase for D-2-hydroxyacids and is associated with D-lactic acidosis”。該工作對鼠源的乳酸脫氫酶D(LDHD)進(jìn)行了系統(tǒng)的生化研究，并解析了LDHD與FAD、Mn2+和一系列底物或產(chǎn)物的復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)和生化數(shù)據(jù)共同揭示了LDHD的底物特異性和催化機(jī)制，以及LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)生中的作用。
乳酸是一種重要的代謝物，根據(jù)其C2原子的手性可分為L-乳酸和D-乳酸兩種對映異構(gòu)體。人體中過量的L-和D-乳酸的積累會導(dǎo)致乳酸酸中毒。D-乳酸酸中毒通常被認(rèn)為是短腸綜合征的并發(fā)癥，發(fā)生在惡性腫瘤、疾病或空腸回腸旁路手術(shù)切除部分小腸后。雖然L-乳酸和D-乳酸都可以通過血腦屏障，但與L-乳酸不同，D-乳酸在大腦中的積累具有神經(jīng)毒性作用，導(dǎo)致多種神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，這些癥狀往往與原發(fā)性神經(jīng)系統(tǒng)疾病混淆。目前，D-乳酸酸中毒癥的發(fā)病原因仍不是很清楚。
最近，在研究患有神經(jīng)系統(tǒng)癥狀或伴有常染色體隱性痛風(fēng)和高尿酸血癥的病人中發(fā)現(xiàn)了LDHD的幾種錯義突變。代謝譜分析顯示，這些病人的尿液和血漿中D-乳酸和其他幾種有機(jī)酸的濃度顯著升高。這些疾病相關(guān)的突變被推測會導(dǎo)致LDHD功能喪失，進(jìn)而導(dǎo)致尿液和血漿中D-乳酸和其他有機(jī)酸的水平升高。至今，LDHD的結(jié)構(gòu)、功能、底物特異性和催化反應(yīng)的分子基礎(chǔ)尚不清楚，LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)病機(jī)制中的作用仍待研究。
丁建平組對鼠源的LDHD的酶學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的生化研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LDHD對D-乳酸表現(xiàn)出脫氫酶活性，但對L-乳酸沒有活性。此外，LDHD對多種C2原子上帶有疏水基團(tuán)的D-2-羥基酸具有酶活，但對C2原子上帶有親水基團(tuán)的D-2-羥基酸無酶活。結(jié)構(gòu)分析顯示，LDHD的底物結(jié)合口袋由一個帶正電的subsite A和一個疏水的subsite B組成，subsite A結(jié)合Mn2+和底物的乙醇酸基團(tuán)或產(chǎn)物的乙醛酸基團(tuán)，而subsite B結(jié)合底物或產(chǎn)物的疏水基團(tuán)。對與疾病相關(guān)的LDHD突變體的活性分析結(jié)果顯示，這些突變均導(dǎo)致LDHD對底物的活性大大降低。結(jié)構(gòu)和生化數(shù)據(jù)表明，LDHD是一種Mn2+依賴的廣譜性脫氫酶，可以催化多種C2原子上帶有疏水基團(tuán)的D-2-羥基酸的脫氫反應(yīng)。基于結(jié)構(gòu)和生化結(jié)果，作者揭示了LDHD的底物識別和催化機(jī)制，闡明了LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)生中的作用。研究結(jié)果為LDHD突變導(dǎo)致的D-乳酸酸中毒癥的診斷提供了新方向，并對該疾病的治療和相關(guān)藥物研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。此外，該工作還提示LDHD可能在支鏈氨基酸的代謝中發(fā)揮重要作用。
丁建平組博士研究生金山和博士后陳星塵為本文的共同第一作者，丁建平研究員為通訊作者。感謝分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺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)基金委和中國科學(xué)院的經(jīng)費(fèi)支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42456-3
LDHD的酶學(xué)性質(zhì)、活性位點(diǎn)識別底物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、以及催化反應(yīng)的分子機(jī)制。a. LDHD催化D-LAC的飽和曲線；b. LDHD對不同底物和類似物的催化活性；c. LDHDFAD+Mn+D-LAC結(jié)構(gòu)中底物結(jié)合位點(diǎn)的表面電勢示意圖，底物結(jié)合位點(diǎn)由親水性的subsite A和疏水性的subsite B組成；d. LDHDFAD+Mn+D-LAC結(jié)構(gòu)中D-乳酸、FAD、Mn2+和周圍氨基酸殘基之間的相互作用關(guān)系，氫鍵相互作用用黑色虛線表示，配位鍵用紅色實(shí)線表示；e. LDHD的催化反應(yīng)機(jī)制。
