马慢病毒受体1和鼠李糖合成酶的结构与功能研究

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马传染性贫血病毒(EIAV)是反转录病毒科、慢病毒属的成员之一。EIAV主要感染马属动物,引起马属动物出现诸多症状,由此引起的传染性疾病称为马传染性贫血(EIA)。马慢病毒受体1(ELR1)是肿瘤坏死因子受体家族成员,经鉴定为马传染性贫血病毒(EIAV)的唯一受体。目前,有关ELR1的研究报道极少,主要集中在病毒感染细胞的水平上,而其三维结构的研究报道未见。为了解EIAV的入侵机制,本文从结构生物学的角度对ELR1进行了研究。  利用果蝇S2细胞表达系统,使重组的ELR1和来源于EIAV野生株和疫苗株的的表面糖蛋白gp90(gp90LN40和gp90FDDV13)获得了分泌性表达,并通过镍亲和层析和凝胶过滤层析进行了纯化。凝胶过滤层析和分析型超速离心试验的结果表明,ELR1、gp90LN40和gp90FDV13在溶液中均以单体的形式存在,同时ELR1能够以1∶1的摩尔比,分别与gp90LN40和gp90FDDV13形成复合物ELR1-gp90LN40和ELR1-gp90FDDV13。  以ELR1的同源蛋白——疱疹病毒侵入介体(HVEM)为模型,通过分子置换法首次解析了ELR1的晶体结构。在ELR1的整体结构中,每一个不对称单位含有一个蛋白分子,包括八条反向平行的β-折叠,其中四条分布在亮氨酸富集结构域1(CRD1)中,CRD2和CRD3中各含两条,β-折叠之间由无规则卷曲连结,未见α-螺旋结构。  通过将ELR1与HVEM以及猫免疫缺陷病毒受体CD134进行序列比对和结构比较,我们发现,位于ELR1 CRD1上的Y61、L70和G72可能是病毒结合的关键位点。为了验证这个推测,分别将这三个氨基酸突变为丙氨酸,通过等温滴定量热试验,测定了gp90LN40和gp90FDDV13的野生型和突变体与ELR1的结合能力。结果表明,L70A和G72A对ELR1与gp90的结合能力的影响较为显著,表明L70和G72是ELR1与gp90相互作用的关键氨基酸。对于gp90LN40和gp90FDDV13来说,点突变分别使ELR1和gp90的结合能力降低和升高,这可能是由gp90LN40和gp90FDDV13在基因组上氨基酸序列的差异造成的。  鼠李糖广泛存在于细菌、植物和真菌中,主要用于合成多种脂蛋白、蛋白聚糖和次级代谢产物。鼠李糖合成酶NRS/ER最初在拟南芥中被发现,是以dTDP/UDP-α-D-葡萄糖为底物,生物合成dTDP/UDP-β-L-鼠李糖途径中的第二个酶,其催化活性依赖于辅酶NAD(P)H的存在。目前,有关研究主要集中在NRS/ER的功能上,而其三维结构的研究未见报道。为了解NRS/ER的作用机制,本文从结构生物学的角度对NRS/ER进行了研究。  首次解析了拟南芥NRS/ER的晶体结构,这也是真核生物来源的鼠李糖合成酶的结构初次被解析。在NRS/ER的整体结构中,每一个不对称单位含有两个蛋白分子,形成一个功能性二体,其稳定性由相互靠近的四条α-螺旋之间的氢键作用来维持。每个单体分子表现为典型的“三明治”结构,从功能上可分为两个结构域,分别负责结合底物和辅酶。在NRS/ER的晶体结构中,每一个不对称单位含有七个锌原子,其中每个单体分子各含三个,另一个位于二体的结合面上,点突变的试验证明位于二体结合面上的锌原子对于二体的形成没有影响。  为了研究NRS/ER对底物和辅酶的偏好性,通过等温滴定量热法测定了NRS/ER和底物以及辅酶的结合常数,结果表明,NRS/ER对dTDP的亲和力明显高于UDP,对NADH和NADPH结合能力类似。我们建立了NRS/ER的酶活检测方法,通过高效液相色谱和质谱联用验证了该方法的正确性,迸一步的生化试验表明锌离子对酶活有抑制作用。  通过将NRS/ER与原核来源的鼠李糖合成酶Rm1C和Rm1D的结构进行比较,发现它们在底物和辅酶的结合区域表现出不同的“口袋”状。与具有双功能的果糖合成酶GFS和甘露糖合成酶GME的进行序列比对,发现T113、C115、Y144和K148为催化反应的保守氨基酸,而点突变试验证明K183是另一个催化活性位点。
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