青蒿素生物合成途径关键酶—紫穗槐二烯合酶（ADS）的蛋白质复合体结构解析及酶活性改造

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    31700263
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    25.0万
  • 负责人：
    李建戌
  • 依托单位：
    中国科学院分子植物科学卓越创新中心
  • 学科分类：
    C0204.水分和营养物质的运输与代谢
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Artemisinin, a sesquiterpene lactone containing a peroxide bridge isolated from Artemisia annua L., is an effective drug for malaria treatment. The biosynthesis of artemisinin belongs to plant isoprenoid metabolic pathway. The sesquiterpene synthase amorpha-4,11-diene synthase (ADS) is a key enzyme in artemisinin biosynthesis pathway, which uses farnesyl diphosphate (FPP) as substrate to produce the key precursor amorpha-4,11-diene for artemisinin biosynthesis. Despite the importance of ADS in artemisinin biosynthesis, the molecular basis of its catalytic mechanism remains elusive. Our research aims to use the methods of structural biology, molecular biology and biochemistry to solve the crystal structures of ADS and ADS-substrate complexes, and to elucidate the detailed mechanism of substrate binding and reaction. Through the comparative analysis of the structures of ADS and BOS, residues responsible for different cyclization mechanisms will be identified, and plastic residues will be revealed and rationally engineered for improving the catalytic efficiency and changing the product specificity.
具有内过氧桥的倍半萜内酯青蒿素来源于中药植物青蒿，它是目前治疗疟疾的最有效药物之一。青蒿素的生物合成属于植物类异戊二烯代谢途径。紫穗槐二烯合酶 (amorpha-4,11-diene synthase, ADS) 是青蒿素生物合成途径中重要的倍半萜合酶，它催化底物法尼基焦磷酸(farnesyl diphosphate，FPP)环化生成青蒿素的重要前体紫穗槐二烯 (amorpha-4,11-diene)。目前对于ADS的催化机理仍不清楚。本项目拟采用结构生物学、结合分子生物学及生物化学的方法，解析ADS及其与底物或底物类似物的蛋白质复合体结构，阐释ADS结合与催化底物反应的分子机理。并通过对比ADS及相近的倍半萜合酶BOS的结构，阐明倍半萜产物环化的不同机制，挖掘影响酶活性及产物特异性的关键可塑性氨基酸位点，利用蛋白质工程进行理性突变及筛选，以期达到提高酶活和改变产物特异性的目的。

结项摘要

本项目主要围绕萜类合酶ADS的结构与酶促反应分子机制开展研究。项目实施三年，除完成既定的研究任务和目标外，也开展并完成发表了其它多种萜类合酶及后修饰酶的研究工作，取得了多项科研成果。取得的研究成果包括：①对倍半萜合酶ADS进行了详细的蛋白表达纯化、蛋白状态测定、酶活性分析、蛋白结晶及晶体优化、底物类似物合成等实验研究，解析了倍半萜合酶ADS的结构，揭示了ADS与其它倍半萜合酶的构象变化，发现了多个重要可塑性氨基酸残基，可用于突变以提高酶催化活性；②揭示了二倍半萜合酶AtTPS18和二萜修饰酶SrUGT76G1的分子催化机制，两篇论文都发表于Plant Communications（2020）；此外，还在本项目的支持下完成了两种BAHD酰基转移酶的催化机制研究及倍半萜衍生物棉酚中新的芳香化酶SPG的重要功能位点分析，论文发表于Frontiers in Plant Science（2021）和Nature Chemical Biology（2020）

项目成果

期刊论文数量（4）
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 Insights into the Catalytic Mechanism of a Plant Diterpene Glycosyltransferase SrUGT76G1.
植物二萜糖基转移酶 SrUGT76G1 催化机制的结构见解
  • DOI：
    10.1016/j.xplc.2019.100004
  • 发表时间：
    2020-01-13
  • 期刊：
    Plant communications
  • 影响因子：
    10.5
  • 作者：
    Liu Z;Li J;Sun Y;Zhang P;Wang Y
  • 通讯作者：
    Wang Y
Molecular Basis for Sesterterpene Diversity Produced by Plant Terpene Synthases.
植物萜烯合成酶产生的二酯萜多样性的分子基础
  • DOI：
    10.1016/j.xplc.2020.100051
  • 发表时间：
    2020-09-14
  • 期刊：
    Plant communications
  • 影响因子：
    10.5
  • 作者：
    Chen Q;Li J;Liu Z;Mitsuhashi T;Zhang Y;Liu H;Ma Y;He J;Shinada T;Sato T;Wang Y;Liu H;Abe I;Zhang P;Wang G
  • 通讯作者：
    Wang G
Structural and Biochemical Insights Into Two BAHD Acyltransferases (AtSHT and AtSDT) Involved in Phenolamide Biosynthesis.
对参与酚酰胺生物合成的两种 BAHD 酰基转移酶（AtSHT 和 AtSDT）的结构和生化见解。
  • DOI：
    10.3389/fpls.2020.610118
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Frontiers in plant science
  • 影响因子：
    5.6
  • 作者：
    Wang C;Li J;Ma M;Lin Z;Hu W;Lin W;Zhang P
  • 通讯作者：
    Zhang P
Aromatization of natural products by a specialized detoxification enzyme
通过专门的解毒酶对天然产物进行芳香化
  • DOI：
    10.1038/s41589-019-0446-8
  • 发表时间：
    2020-01-13
  • 期刊：
    NATURE CHEMICAL BIOLOGY
  • 影响因子：
    14.8
  • 作者：
    Huang, Jin-Quan;Fang, Xin;Chen, Xiao-Ya
  • 通讯作者：
    Chen, Xiao-Ya

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其他文献

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植物镁离子螯合酶I与D亚基的结构与机理
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  • 项目类别：
    面上项目

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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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