芳香杂环环境污染物微生物降解途径中的关键酶—钼喋呤依赖型多亚基单加氧酶Spm的结构与功能研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31470223
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    86.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0106.微生物与环境互作
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Heterocyclic compounds are the major environmental pollutants in our country, and cause many human diseases such as tumors and fetal malformations. The microbiological technique is one of the most efficient approaches to control environmental pollution caused by heterocyclic compounds. In microbial catabolic pathways of aromatic compounds, using a monooxygenase to catalyze the first hydroxylation modification on the aromatic rings is a key step which activates the chemically inert aromatic ring. For N-heterocyclic compounds,this hydroxylation reaction on the N-heterocyclic rings is usually catalyzed by a multi-subunit molybdopterin-dependent monooxygenase. However, until now we only have limited information on the structures and catalytic mechanisms of these important monooxygenases. In this proposal, we plan to study the 3-succinyl pyridine monooxygenase Spm in the nicotine degradation pathway of Pseudomonas putida S16, which catalyzes the first hydroxylation reaction on the pyridine ring of nicotine in this pathway. The Spm holoenzyme consists of three subunits: SpmA which carries a molybdopterin cofactor, SpmB which carries an FAD cofactor, and SpmC which carries a [2Fe-2S] iron-sulfur cluster. We plan to determine the crystal structure of the Spm holoenzyme as well as the structure of Spm in complex with its substrate 3-succinyl pyridine. Using the crystal structure of the enzyme-substrate complex as the initial coordinates, we are going to carry out computer molecular dynamics simulation and quantum chemical calculation to elucidate the molecular mechanism of how Spm catalyzes the hydroxylation modification on the heterocyclic ring, which is a difficult chemical reaction in nature. Through site-directed mutagenesis and measurement of enzymatic activities, we are going to investigate the roles of key active site amino acid residues of Spm in its subunit assembly, in its cofactor binding, in its substrate recognition, as well as in the reaction catalysis process. By expression of mutant plasmids in the spm gene knockout bacteria strain, we are also going to study how mutating these vital amino acid residues of Spm would affect the metabolic functions of Pseudomonas putida S16. Through the study of Spm, we are going to investigate important properties of multi-component molybdopterin-dependent monooxygenases in microbial degradation pathways of heterocyclic pollutants.
芳香杂环化合物是重要的环境污染物和环境毒物。在微生物降解芳香类化合物的代谢途径中,以单加氧酶催化芳香环上的第一步羟基化以活化芳香环是一个关键步骤。对氮杂环化合物而言,一般由钼喋呤依赖型多亚基单加氧酶催化氮杂环上第一步羟基化,但人们对这类酶的结构与机理的认识不足。本项目中,我们以恶臭假单胞菌中催化氮杂环─吡啶环上第一步羟基化的三亚基含钼喋呤、铁硫簇、FAD辅基的3-琥珀酰吡啶单加氧酶Spm为研究对象,计划:1)解析其全酶复合物及与底物的复合物的晶体结构,揭示其三个亚基与三个辅基装配成全酶及特异性识别底物的分子机制;2)在结构基础上进行分子动力学模拟与量子化学计算,阐明其催化芳香杂环上羟基化的分子机理;3)通过突变体酶活性检测与体内基因敲除/回补实验,考察结构所揭示的重要残基对酶活性与代谢功能的关键作用。通过对Spm的研究,我们将探讨微生物代谢杂环污染物的钼喋呤依赖型多亚基单加氧酶的重要性质。

结项摘要

钼喋呤依赖性三亚基单加氧酶在微生物降解含氮环境毒物的代谢途径中起着重要作用。我们解析了与Spm非常类似的、节杆菌的尼古丁降解代谢途径中关键的钼喋呤依赖性三亚基单加氧酶Kdh全酶复合物的晶体结构。与Spm一样,Kdh的大亚基KdhL、中亚基KdhM、小亚基KdhS也分别含有钼喋呤胞嘧啶二核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、[2Fe-2S]铁硫簇辅基。Kdh催化与Spm类似的尼古丁的吡啶环上的单加氧反应,将6-羟基假氧化尼古丁氧化生成2,6-二羟基假氧化尼古丁。我们将节杆菌Kdh的三个亚基的编码基因克隆到节杆菌与大肠杆菌的穿梭质粒pART2中,在节杆菌中共表达,纯化得到了Kdh全酶复合物并将其结晶。通过在上海光源收集的数据,解析了Kdh三亚基复合物(包括大亚基KdhL及其所结合的辅基钼喋呤胞嘧啶二核苷酸、中亚基KdhM及其所结合的辅基黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、小亚基KdhS及其所结合的辅基[2Fe-2S]铁硫簇)的晶体结构,分辨率为3.4埃。我们发现在KdhL和KdhM分别位于两侧,把KdhS夹在中间。因此KdhL与KdhS一起把钼喋呤胞嘧啶二核苷酸紧密包裹在Kdh全酶内部,可能防止氧气进入活性中心产生副反应。与之相反,KdhM的辅基FAD处于一个相对开放的位置,不是被紧紧包裹的,这可能与FAD在还原为FADH2后,需要被立即氧化,再次进入反应循环有关。在KdhS中,结合着两个[2Fe-2S]铁硫簇。KdhS被KdhL和KdhM夹在中间,从而在它们的协助下,把两个[2Fe-2S]铁硫簇包裹在其内部,防止被氧气氧化。在Kdh全酶复合物中,KdhL、KdhS、KdhM携带的三种辅基成线性排列,有利于电子的传递。通过计算机模拟对接,我们得到了Kdh与底物6-羟基假氧化尼古丁的复合物的预测结构。在该结构中,底物与大亚基KdhL所结合的辅基钼喋呤胞嘧啶二核苷酸的距离为4.5埃。各个辅基(钼喋呤胞嘧啶二核苷酸、两个铁硫簇、FAD)之间的距离都在10-14埃左右,距离适中,在量子化学理论上电子所能穿透的能垒宽度之内。由于该体系较复杂,我们还在对该体系进行量子化学计算,探讨Kdh的催化机理,并对Kdh催化底物反应的酶反应动力学常数KM、kcat进行测量。发表SCI论文14篇(通讯作者论文9篇)。申请中国专利和国际专利各一项。2016年获教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学奖一等奖。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(2)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Structural basis of the substrate preference towards CMP for a thymidylate synthase MilA involved in mildiomycin biosynthesis.
米霉素生物合成中胸苷酸合酶 MilA 对 CMP 的底物偏好的结构基础
  • DOI:
    10.1038/srep39675
  • 发表时间:
    2016-12-21
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Zhao G;Chen C;Xiong W;Gao T;Deng Z;Wu G;He X
  • 通讯作者:
    He X
Stable MOB1 interaction with Hippo/MST is not essential for development and tissue growth control.
MOB1 与 Hippo/MST 的稳定相互作用对于发育和组织生长控制并不重要。
  • DOI:
    10.1038/s41467-017-00795-y
  • 发表时间:
    2017-09-25
  • 期刊:
    Nature communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Kulaberoglu Y;Lin K;Holder M;Gai Z;Gomez M;Assefa Shifa B;Mavis M;Hoa L;Sharif AAD;Lujan C;Smith ESJ;Bjedov I;Tapon N;Wu G;Hergovich A
  • 通讯作者:
    Hergovich A
Structure of the TBC1D7-TSC1 complex reveals that TBC1D7 stabilizes dimerization of the TSC1 C-terminal coiled coil region
TBC1D7-TSC1 复合物的结构表明,TBC1D7 稳定了 TSC1 C 末端卷曲线圈区域的二聚化。
  • DOI:
    10.1093/jmcb/mjw001
  • 发表时间:
    2016-10-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF MOLECULAR CELL BIOLOGY
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Gai, Zhongchao;Chu, Wendan;Wu, Geng
  • 通讯作者:
    Wu, Geng
Structural mechanism for the arginine sensing and regulation of CASTOR1 in the mTORC1 signaling pathway.
mTORC1 信号通路中 CASTOR1 精氨酸传感和调节的结构机制。
  • DOI:
    10.1038/celldisc.2016.51
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Cell discovery
  • 影响因子:
    33.5
  • 作者:
  • 通讯作者:
Structural basis for the recognition of sulfur in phosphorothioated DNA.
硫代磷酸化 DNA 中硫的识别的结构基础
  • DOI:
    10.1038/s41467-018-07093-1
  • 发表时间:
    2018-11-08
  • 期刊:
    Nature communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Liu G;Fu W;Zhang Z;He Y;Yu H;Wang Y;Wang X;Zhao YL;Deng Z;Wu G;He X
  • 通讯作者:
    He X

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其他文献

Ⅳ型戊型肝炎病毒ORF3蛋白在人肝细胞中相互作用蛋白的筛选与鉴定
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郭亮;傅艳琨;吴更;崔立;华修国
  • 通讯作者:
    华修国
Molecular basis for the recognition of Adenomatous Polyposis Coli by the Discs Large 1 protein.
Discs Large 1 蛋白识别腺瘤性结肠息肉病的分子基础。
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    PLoS One
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更
Crystal structure of the armadillo repeat domain of adenomatous polyposis coli which reveals its inherent flexibility.
腺瘤性息肉病大肠杆菌犰狳重复结构域的晶体结构揭示了其固有的灵活性。
  • DOI:
    10.1016/j.bbrc.2011.08.044
  • 发表时间:
    2011-09
  • 期刊:
    Biochemical and Biophysical Research Communications
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更
戊型肝炎病毒ORF3蛋白的原核表达和纯化
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    上海交通大学学报(农业科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    傅艳琨;郭亮;吴更;华修国;崔立
  • 通讯作者:
    崔立
Purification, crystallization, and preliminary X-ray analysis of DndE protein from Salmonella enterica serovar Cerro 87 which is involved in DNA phosphorothioation.
对参与 DNA 硫代磷酸化的肠沙门氏菌 Cerro 87 血清型 DndE 蛋白进行纯化、结晶和初步 X 射线分析。
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Acta Crystallography Section F Structural Biology and Crystallization Communications
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更

其他文献

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DNA磷硫酰化修饰激活细菌SspE蛋白抵御噬菌体侵染的机制研究
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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