中国药科大学赵玉成团队Angew “Hot paper”：阐明植物首个SNAT催化机制

越来越多的研究发现褪黑素在植物生长发育过程中起着重要的生物学作用。但植物中褪黑素的生物合成机制还未完全阐明，其各个步骤的催化机制、特别是其生物合成多途径并行的机制有待研究。新近研究表明，色氨酸脱羧酶（TDC）与5-羟色胺N-乙酰转移酶（SNAT）介导的双重反应是褪黑素生物合成多途径性产生的主要原因，但产生这种现象的机制一直未见报道。

前期（上图），中国药科大学赵玉成副研究员团队与齐鲁工业大学曾志雄教授团队合作解析了TDC与5-磷酸吡哆醛、色胺和五羟色胺的二元/三元复合物晶体结构，阐明了TDC介导双重合成途径的结构生物学基础。同时还发现，TDC 104位苯丙氨酸与105位脯氨酸与五羟色胺的羟基形成的氢键可能是导致TDC对色氨酸和5-羟基色氨酸催化活性差异的原因（Zhou et al, J. Adv. Res., 2020, 24, 501–511）。

近日，两个团队再度合作，长文报道了首个植物褪黑素生物合成关键限速酶SNAT的apo结构，以及SNAT与乙酰辅酶A、5-羟色胺和5-甲氧基色胺的二元/三元复合物晶体结构，并通过定点突变与分子动力学模拟详细阐明了SNAT的催化机制。该酶展示了一个独特的二聚体折叠模式，而其所属AANAT家族报道的结构则均为单体。晶体结构与定点突变实验显示活性口袋周围的W188、D189、D226、N220与Y233在催化过程中起到关键作用。结合动力学模拟，作者提出了一种新的催化机制：在乙酰转移过程中，D226和Y233作为广义碱和广义酸参与质子转移，D189参与小分子的结合。这也与之前报道的哺乳动物与昆虫中的AANAT的催化机制有所不同。

本研究以“hot paper”形式发表在新一期的Angew. Chem. Int. Ed.上，中国药科大学博士后廖李静博士、华中农业大学周原则博士与成都中医药大学徐佑东硕士为本文的共同第一作者。中国药科大学赵玉成副研究员与齐鲁工业大学曾志雄教授为本文的共同通讯作者。中国药科大学为本文第一作者单位与第一通讯作者单位。中国药科大学本科生张宇浩也在本工作中做出了重要贡献。本项目得到了中央高校基本业务费与国家自然科学基金面上项目的支持。国家蛋白质科学研究中心 (NFPS-Shanghai) BL18U1/BL19U1线站工作人员在X-ray数据收集过程中提供巨大帮助。

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Structural and Molecular Dynamics Analysis of Plant Serotonin N‐Acetyltransferase Reveal an Acid/Base‐Assisted Catalysis in Melatonin Biosynthesis

Lijing Liao, Yuanze Zhou, Youdong Xu, Yuhao Zhang, Xikai Liu, Biao Liu, Xinxin Chen, Yan Guo, Zhixiong Zeng, Yucheng Zhao

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202100992

研究团队简介

赵玉成副研究员为中药学院中药资源系青年教师，主要研究方向为中药资源的开发与利用；中药重要天然产物的生物合成与合成生物学；重要天然产物生物合成关键酶的结构生物学与催化力学。近年来，系统的阐明的前胡香豆素途径的生物合成机制，解析了香豆素途径第一个氧甲基转移酶的晶体结构；系统的阐明了植物褪黑素生物合成与催化机制；逐步开展了延胡索苄基异喹啉生物碱，秋水仙苯乙基异喹啉生物碱及射干异黄酮生物合成机制的研究。近2年，以第一或通讯作者在J Adv Res, Sci Total Environ, Food Chem, Sci Data, FASEB J 等杂志上发表SCI论文20余篇。

论文的共同通讯作者曾志雄教授，长期致力于端粒与端粒酶，表观遗传以及生物合成代谢中蛋白及蛋白复合物的结构与功能解析。因团队发展和科研需求，曾教授拟招收2-3名优秀博士（有编制，副教授待遇）或科研骨干（直聘教授或副教授），同时依托山东省科学院招收2-3名博士后，有意者请联系：zengzx@qlu.edu.cn.