水稻黄单胞菌新型烯酰-ACP还原酶FabV晶体结构及其催化机理的研究

由水稻黄单胞菌引起的水稻白叶枯病是水稻最严重且难以防治的细菌性病害。烯酰-ACP还原酶（ENR）是细菌脂肪酸生物合成途径中起关键作用的催化酶，抑制ENR活性将直接影响细菌的生长及繁殖。水稻黄单胞菌仅存在一种新的ENR即FabV，FabV有望成为筛选具有选择性的抑制水稻黄单胞菌农药的理想靶标。本项目在获得FabV结晶的基础上，经同步辐射，结合硒代与多波长异常衍射法解析FabV的结构；通过FabV与辅酶、底物共结晶，揭示FabV活性基序氨基酸残基与底物、辅酶的结合方式；系统地研究FabV催化还原反应的机理，包括氢键传递网络的组成与结构、氢的传递方式等；对FabV活性位点氨基酸残基进行定点突变，考察活性基序与空腔变化对酶活性的影响，建立其关系模型。这些结果的获得，能首次解析新颖的FabV空间结构，阐明FabV的催化作用机理，得到新靶标酶的结构数据，为筛选防治水稻白叶枯病的新农药奠定基础。

由水稻黄单胞菌引起的水稻白叶枯病是水稻最严重且难以防治的细菌性病害。烯酰-ACP还原酶（Enoyl-ACP reductase，ENR）是细菌脂肪酸生物合成途径中起关键作用的催化酶，抑制ENR活性将直接影响细菌的生长及繁殖，而且ENR已经是重要的靶标，许多重要的杀菌剂与抗菌药物如三氯生（靶标为绝大部分细菌的ENR，FabI）、异烟肼（靶标为结核杆菌的FabI，InhA）就是以ENR为靶标的。水稻黄单胞菌仅存在一种ENR即FabV（XoFabV），FabV与FabI有较大的差异，这样FabV有望成为筛选具有选择性的抑制水稻黄单胞菌农药的理想靶标。该研究采用了硒代方式进行全新蛋白质结构的解析，得到了硒代XoFabV蛋白质晶体，用同步辐射仪成功的解析了XoFabV蛋白质晶体结构。XoFabV只含有一个非对称的单体，每个XoFabV单体由13个α螺旋及11 个β折叠组成。XoFabV单体也含有类似于大肠杆菌FabI（EcFabI）的Rossman折叠。EcFabI的ENR底物结合环只有13个残基，其酯酰底物的长度在C2-C16之间；而XoFabV的底物结合环有48个残基，其催化三联体为Tyr226-Tyr236-Lys245，因而XoFabV可能识别更长的脂酰链，从而催化更长脂肪链的合成。与普通SDR家族的保守基序YX3-7K不同， XoFabV保守基序为YWHGAIGKAK（位于236-245位，YX8K）；在N-末端含有SDR超家族的NADH典型结合位点GXXXGXG，位于48-54位的富含Gly的GASSGYG基序；在C-末端含有FAD结合位点FGFXXXXXDY，即XoFabV中位于377-386的保守基序FGFGRIDVDY。同时，我们确定了参与还原酶活力的关键的氨基酸残基。基于体内质粒互补试验和体外NADH氧化试验，发现D111、Y236和K245是催化活性所需要的最基本的氨基酸残基；而Y53、F113、Y226和T276对催化底物的还原非常关键。通过结构比较与LIGPLOT分析，可以认为：1）Y53、D111、F113、K245和T276与辅因子NADH相互作用；2）Y226可能既与辅因子NADH又与底物（或抑制剂）相互作用；3）Y236与底物（或抑制剂）相互作用。这些发现不仅可以阐明FabV的催化机理，而且对于开发针对FabV的致病菌的抑制剂具有重要意义。