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施一公研究组PNAS报道人源赖氨酰氧化脱氨酶LOXL2晶体结构

2018/03/28 来源:结构生物学高精尖创新中心
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导读
2018年3月26日,清华大学生命科学学院、结构生物学高精尖创新中心施一公教授研究组在PNAS杂志在线发表了题为“Crystal structure of human lysyl oxidase-like 2 (hLOXL2) in a precursor state”的研究论文,报导了人源赖氨酰氧化脱氨酶 (lysyl oxidase, LOX) 家族成员——LOXL2的2.4 Å晶体结构。


本文转载自“结构生物学高精尖创新中心”。

在人体结缔组织中,胶原蛋白和弹性蛋白是细胞外基质主要的结构蛋白;由二者构成的胶原纤维与弹性纤维广泛分布于肌腱、韧带、皮肤、血管,调节着细胞外基质的张力及弹性,在组织间行使着连接、支持和保护的作用。胶原纤维和弹性纤维是由各自的单体蛋白通过分子间交联组装形成的。尽管在不同组织中,纤维的构成和交联模式不尽相同,但交联的位点均发生于分子表面的赖氨酸残基之间。交联的起始步骤需要赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化脱氨形成高反应活性的醛基,进而通过醛-氨或醛-醛之间的自发反应形成分子间交联。LOX蛋白正是催化交联起始步骤的关键酶,因此该家族蛋白对于胶原纤维、弹性纤维的形成以及结缔组织的发育有着极为重要的影响。此外,越来越多的研究表明,LOX家族蛋白的异常表达与组织纤维化以及乳腺癌细胞的转移密切相关。


A:LTQ及其介导的生化反应;B:hLOXL2晶体结构 (residues 318-774, N455Q)

LOX家族包含5个分泌蛋白,其基因在上世纪九十年代相继得到克隆。家组成员之间N端结构域的保守性较低,而C端催化结构域则高度保守。值得一提的是,催化结构域中含有两个对酶活性至关重要的辅助因子:lysyl tyrosylquinone (LTQ) 以及铜离子。前者是由LOX蛋白自身的两个保守氨基酸残基(lysine 以及 tyrosine)经翻译后的氧化、交联形成的一种醌基,它在脱氨反应过程中起着还原力传递的中间体作用。LTQ的形成是一个自催化过程;而铜离子则是该过程中的关键因子。

尽管LOX蛋白具有十分重要的生理功能以及疾病关联性,但多年以来该家族蛋白尚无任何结构得以解析。施一公教授课题组所报导的人源LOXL2晶体结构则填补了这一空白。在结构中,LOXL2的铜结合位点被锌离子所占据,阻断了LTQ的形成;而铜离子的引入则可以显著的激活LOXL2并促进LTQ的形成,表明该结构所呈现的是一种锌离子结合下的前体状态。值得注意的是,结构中LTQ的两个前体氨基酸之间呈现16.6 Å的距离,表明LOXL2在LTQ形成的过程中可能会发生一定的构象变化;而依据现有结构通过小分子化合物或抗体来阻断LOXL2的激活则是一种可能的药物设计思路。总结而言,该结构的解析有助于初步理解此类蛋白酶的结构与功能关系,并为后续的结构研究及药物研发提供基础和支持。

清华大学生命科学学院博士生张曦为本文的第一作者,施一公教授和刘旻昊博士为本文的共同通讯作者。本研究感谢范仕龙老师、邓海腾老师、张文浩等提供的帮助。本研究工作得到了清华大学结构生物学高精尖创新中心、国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地、清华-北大生命联合中心以及国家自然科学基金的大力支持。

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