肌红蛋白的分子设计及其多重生物催化功能的比较研究

How the same heme protein performs different biological functions in different biological conditions is a current research focus in chemical biology. Myoglobin (Mb) is a representative of such heme proteins. Besides the well-known function of oxygen storage and delivery, it has multiple biological catalysis functions, including nitrite reductase activity, peroxidase activity and hydrolysis activity, etc. Protein molecular design is an efficient approach to probe the structural and functional relationship of heme proteins. However, currently it is still short of deeper studies in terms of the role of the same specific structural component within Mb in different biological catalytic functions, as well as the relation among the multiple biological catalysis functions. Therefore, based on our recent research, this proposal plans to carry out a deeper comparative study of the multiple catalytic functions of Mb, by using protein engineering, X-ray crystallography and modern spectroscopic techniques, etc., and to probe the roles of key amino acids in the active site and the metal ions in regulating catalysis. It is then to establish the relationship between structure and multiple biological catalysis functions, which will expand our knowledge of the structural and functional relationship of heme proteins. The designed enzymes with controllable functions based on Mb in this proposal have potential applications. Moreover, this proposal provides scientific clues for rational design of other novel functional proteins.

相同的血红素蛋白如何在不同的生理条件下执行不同的生物功能，是当前化学生物学的一个研究热点。肌红蛋白（Mb）就是其中的典型代表，除被人们所熟知的贮存和运输氧功能外，还执行多重生物催化功能，包括亚硝酸盐还原酶、过氧化物酶和水解酶催化功能等。蛋白质分子设计是探索血红素蛋白结构与功能关系的一种非常有效的手段。然而，目前对Mb中相同特定结构基元在不同生物催化功能中的作用，以及多重生物催化功能之间的内在联系仍缺乏深入研究。因此，基于我们近期的研究基础，本项目拟通过蛋白质工程、晶体学方法和现代光谱学实验技术等，对Mb多重生物催化功能进行深入地比较研究，探索活性中心关键氨基酸以及金属离子的调控作用，进而建立结构及多重生物催化功能之间的内在联系，拓宽对血红素蛋白结构与功能关系的全面认识。本项目基于Mb分子设计的功能可控的生物酶分子具有一定的应用前景，而且本项目也为其它新型功能蛋白的分子设计提供了科学的指导。

相同的血红素蛋白如何在不同的生理条件下执行不同的生物功能，是当前化学生物学的一个研究热点。肌红蛋白（Myoglobin，Mb）就是其中的典型代表，除被人们所熟知的贮存和运输氧功能外，还执行多重生物催化功能，包括亚硝酸盐还原酶、过氧化物酶和水解酶催化功能等。蛋白质分子设计是探索血红素蛋白结构与功能关系的一种非常有效的手段。然而，目前对Mb 中相同特定结构基元在不同生物催化功能中的作用，以及多重生物催化功能之间的内在联系仍缺乏深入研究。本项目对Mb进行了分子设计，包括血红素中心的重新设计、酪氨酸氢键网络的设计、分子内二硫键的设计、血红素蛋白质翻译后修饰、结构域交换、以及血红素辅基的替换等手段，构建了一系列高效的、功能可控的人工亚硝酸盐还原酶、人工过氧化物酶、以及人工水解酶分子等。其中，有些设计的人工酶分子具有优于天然酶的催化效率，如双突变体蛋白F43Y/F138W Mb的脱色催化效率是天然脱色过氧化物酶（来源于Vibrio cholerae）的~4.3倍。而且，本项目研究发现了一种新颖的血红素蛋白后修饰方式，即在突变体F43Y Mb中，血红素4-乙烯基与酪氨酸Tyr43羟基形成C-O键。本项目通过蛋白质工程、晶体学方法和现代光谱学实验技术等，对Mb 多重生物催化功能进行了深入地比较研究，探索了活性中心关键氨基酸以及金属离子的调控作用，建立了结构及多重生物催化功能之间的内在联系，拓宽了对血红素蛋白结构与功能关系的全面认识。本项目按照项目计划书进行了项目研究，获得了预期研究成果，累计解析了12个Mb突变体蛋白晶体结构，发表了多篇研究论文以及综述论文。而且，还进行了一些拓展研究，如设计了具有双活性中心（血红素中心+金属离子中心或双血红素中心）的人工金属蛋白分子。本项目基于Mb 分子设计的功能可控的生物酶分子具有一定的应用前景，而且本项目也为其它新型功能蛋白的分子设计提供了科学的指导。