施一公研究組PNAS報(bào)道人源賴氨酰氧化脫氨酶LOXL2晶體結(jié)構(gòu)

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來源：結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心

2018-03-28

2018年3月26日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心施一公教授研究組在PNAS雜志在線發(fā)表了題為“Crystal structure of human lysyl oxidase-like 2 (hLOXL2) in a precursor state”的研究論文，報(bào)導(dǎo)了人源賴氨酰氧化脫氨酶 (lysyl oxidase, LOX) 家族成員——LOXL2的2.4 ?晶體結(jié)構(gòu)。

在人體結(jié)締組織中，膠原蛋白和彈性蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)主要的結(jié)構(gòu)蛋白；由二者構(gòu)成的膠原纖維與彈性纖維廣泛分布于肌腱、韌帶、皮膚、血管，調(diào)節(jié)著細(xì)胞外基質(zhì)的張力及彈性，在組織間行使著連接、支持和保護(hù)的作用。膠原纖維和彈性纖維是由各自的單體蛋白通過分子間交聯(lián)組裝形成的。盡管在不同組織中，纖維的構(gòu)成和交聯(lián)模式不盡相同，但交聯(lián)的位點(diǎn)均發(fā)生于分子表面的賴氨酸殘基之間。交聯(lián)的起始步驟需要賴氨酸或羥賴氨酸殘基氧化脫氨形成高反應(yīng)活性的醛基，進(jìn)而通過醛-氨或醛-醛之間的自發(fā)反應(yīng)形成分子間交聯(lián)。LOX蛋白正是催化交聯(lián)起始步驟的關(guān)鍵酶，因此該家族蛋白對(duì)于膠原纖維、彈性纖維的形成以及結(jié)締組織的發(fā)育有著極為重要的影響。此外，越來越多的研究表明，LOX家族蛋白的異常表達(dá)與組織纖維化以及乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。

A：LTQ及其介導(dǎo)的生化反應(yīng)；B：hLOXL2晶體結(jié)構(gòu) (residues 318-774, N455Q)

LOX家族包含5個(gè)分泌蛋白，其基因在上世紀(jì)九十年代相繼得到克隆。家組成員之間N端結(jié)構(gòu)域的保守性較低，而C端催化結(jié)構(gòu)域則高度保守。值得一提的是，催化結(jié)構(gòu)域中含有兩個(gè)對(duì)酶活性至關(guān)重要的輔助因子：lysyl tyrosylquinone (LTQ) 以及銅離子。前者是由LOX蛋白自身的兩個(gè)保守氨基酸殘基（lysine 以及 tyrosine）經(jīng)翻譯后的氧化、交聯(lián)形成的一種醌基，它在脫氨反應(yīng)過程中起著還原力傳遞的中間體作用。LTQ的形成是一個(gè)自催化過程；而銅離子則是該過程中的關(guān)鍵因子。

盡管LOX蛋白具有十分重要的生理功能以及疾病關(guān)聯(lián)性，但多年以來該家族蛋白尚無任何結(jié)構(gòu)得以解析。施一公教授課題組所報(bào)導(dǎo)的人源LOXL2晶體結(jié)構(gòu)則填補(bǔ)了這一空白。在結(jié)構(gòu)中，LOXL2的銅結(jié)合位點(diǎn)被鋅離子所占據(jù)，阻斷了LTQ的形成；而銅離子的引入則可以顯著的激活LOXL2并促進(jìn)LTQ的形成，表明該結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的是一種鋅離子結(jié)合下的前體狀態(tài)。值得注意的是，結(jié)構(gòu)中LTQ的兩個(gè)前體氨基酸之間呈現(xiàn)16.6 ?的距離，表明LOXL2在LTQ形成的過程中可能會(huì)發(fā)生一定的構(gòu)象變化；而依據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)通過小分子化合物或抗體來阻斷LOXL2的激活則是一種可能的藥物設(shè)計(jì)思路?？偨Y(jié)而言，該結(jié)構(gòu)的解析有助于初步理解此類蛋白酶的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)研究及藥物研發(fā)提供基礎(chǔ)和支持。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生張曦為本文的第一作者，施一公教授和劉旻昊博士為本文的共同通訊作者。本研究感謝范仕龍老師、鄧海騰老師、張文浩等提供的幫助。本研究工作得到了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地、清華-北大生命聯(lián)合中心以及國家自然科學(xué)基金的大力支持。

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