微生物降解含氮杂环途径中的吡啶环β位单加氧酶的结构和功能分析

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31670106
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0106.微生物与环境互作
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Pyridine-containing heterocyclic compounds are one major kind of environmental pollutants of our country. Because of the electron withdrawing effect of the nitrogen atom on the pyridine ring, pyridine rings are more stable than benzene rings and are more difficult to be oxidized. Pyridine ring β-monooxygenases play important roles in microbial degradation pathways for pyridine-containing compounds. They activate pyridine rings by modifying them with hydroxyl groups at β- or α- positions, to make it easier for subsequent dioxygenases to oxidatively cleave the pyridine rings. In this proposal, we plan to study three microbial pyridine ring β-monooxygenases: 6-hydroxyl-3-succinoyl-pyridine (HSP) monooxygenases HspB and HspA in the nicotine degradation pathway of Pseudomonas putida S16, and 6-hydroxyl-nicotinic acid monooxygenase NicC in the nicotinic acid degradation pathway of Pseudomonas putida KT2440. For example, in the HspB-catalyzed reaction, there is one co-factor (FAD) and four substrates (HSP, NADH, dioxygen, and water) involved, and four products (2,5-dihydroxypyridine, NAD+, succinate, and water) are formed. In the reactions catalyzed by HspA and NicC, FAD and NADH are also involved. We are going to determine the crystal structures of these pyridine ring β-monooxygenases by themselves as well as the crystal structures of these monooxygenases in complexes with their respective pyridine ring-containing substrates. By examining these structures as well as carrying out computer molecular dynamics simulation and quantum chemical calculation, we are going to study how these monooxygenases specifically recognize their respective pyridine ring-containing substrates, and selectively catalyze the hydroxylation reactions at β-positions of pyridine rings. By means of structural analysis, we are going to identify key residues of these monooxygenases which play critical roles in recognizing substrates and catalyzing β-hydroxylation reactions on pyridine rings. We are going to perform enzymatic activity assays and microbial functional assays using site-directed mutants to elucidate which residues are essential for the catalytic activities of these monooxygenases and for the metabolic capabilities of microbes towards their respective pyridine ring-containing compounds. Through studying of these three representative enzymes, we are going to investigate important properties of pyridine ring β-monooxygenases in microbial degradation pathways of pyridine ring-containing environmental pollutants.
含氮杂环吡啶环化合物是重要的环境污染物和环境毒物。由于环上氮原子的吸电子作用,吡啶环较稳定,不易被氧化。吡啶环β位单加氧酶在微生物降解这些化合物的途径中起到活化吡啶环的重要作用,便于双加氧酶将其开环断裂。我们拟研究含吡啶环化合物的微生物分解代谢途径中3个代表性的吡啶环β位单加氧酶:假单胞菌S16菌株中的6-羟基-3-琥珀酰吡啶单加氧酶HspB及其同工酶HspA、KT2440菌株中的6-羟基烟酸单加氧酶NicC,解析它们自身及与各自底物的复合物的结构,考察它们结构上的共同性,并揭示它们识别吡啶环底物的分子机理;通过计算生物学研究,阐明它们专一性催化吡啶环β位羟基化的反应机制;通过突变体酶活性检测和微生物代谢功能分析,验证吡啶环β位单加氧酶的关键残基对酶活性和代谢功能的重要作用。本项目将加深对微生物降解环境污染物途径中的吡啶环β位单加氧酶的认识,为利用微生物技术清除含氮杂环污染物奠定理论基础。

结项摘要

含氮杂环芳香化合物(N-heterocyclic aromatic compounds,NHACs)是工业溶剂、染料、药物以及杀虫剂的重要成分,通过人类活动进入环境,给地球上的地下水和土壤带来严重的污染。研究表明,含氮杂环芳香化合物对有机体有诱导突变甚至致癌的风险,因此寻找有效的途径降解环境中的含氮杂环化合物,对于维护人类健康及保护生态环境具有重要意义。近年来研究发现,含氮杂环芳香化合物通过生物酶(羟基化酶/单加氧酶/氧化还原酶)的氧化还原过程降解成无害甚至有用的分子。我们主要研究了在微生物对含氮杂环芳香化合物的降解途径中发挥重要作用的吡啶环β位单加氧酶:恶臭假单胞菌S16菌株的吡啶环β位单加氧酶HspB、HspA以及恶臭假单胞菌KT2440菌株的吡啶环β位单加氧酶NicC。我们经过艰苦努力,解析了恶臭假单胞菌S16菌株的吡啶环β位单加氧酶HspB的晶体结构,分辨率为2.1埃。通过计算机辅助虚拟对接的方法,得到了HspB与其辅基FAD和其底物HSP的复合物的结构模型,并进一步揭示了HspB结合辅基FAD和底物HSP的分子机理,通过突变体的酶学检测进行了证实。我们还通过对HspB的分子动力学模拟研究,发现HspB的β2-α2 loop和β18-α9 loop存在着较大的柔性,可能与HspB在催化反应过程中将底物和辅基进行位置调整从而进行精准对接的柔性有关。我们的这项工作正在投稿国际微生物学领域顶级期刊Molecular Microbiology。另外,我们还解析了恶臭假单胞菌KT2440菌株的吡啶环β位单加氧酶NicC与其辅基FAD的复合物的晶体结构,分辨率为1.75埃,正在继续进一步进行NicC与底物的共结晶研究,并进行深度机理研究。此外,我们还对恶臭假单胞菌S16菌株的吡啶环β位单加氧酶HspA进行了纯化与结晶研究。在本项目的支持下,发表SCI论文10篇,其中本人作为通讯作者的论文8篇,申请国际专利一项。2017年2月,荣获国家教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖,本人排名第四。2019年,本人代表上海交通大学承办了第六届华东结构生物学会议。2020年,本人当选上海生物物理学会理事。在本项目资助下,培养3名博士生毕业,培养4名硕士生毕业。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
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
Structural insight into the Ragulator complex which anchors mTORC1 to the lysosomal membrane.
深入了解将 mTORC1 锚定到溶酶体膜的 Ragulator 复合物。
  • DOI:
    10.1038/celldisc.2017.49
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Cell discovery
  • 影响因子:
    33.5
  • 作者:
    Mu Z;Wang L;Deng W;Wang J;Wu G
  • 通讯作者:
    Wu G
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
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

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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
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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.
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  • 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
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:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    Acta Crystallography Section F Structural Biology and Crystallization Communications
  • 影响因子:
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  • 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:
    --
  • 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

其他文献

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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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