活性中心α螺旋连接处突变对两种倍半萜合酶产物特异性的影响

作     者：季小龙 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李振秋

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：倍半萜合酶 定点突变 产物特异性 手性分析 催化机制 

摘      要：倍半萜合酶能催化单一线性底物法尼基焦磷酸(Farnesyl diphosphate,FPP)产生300多种具有不同立体结构的碳氢骨架,这些基本的碳氢骨架在生物体内进一步修饰形成上万种倍半萜化合物。倍半萜化合物在植物次生代谢中起着十分重要的作用,如保护植物免受捕食者、病原体、竞争者的侵害等,它们也广泛应用于农药、香料和调味剂等领域中,其中具有多种药理活性,如抗细菌、抗真菌和抗肿瘤等。相关研究表明,活性中心α螺旋连接处氨基酸对于倍半萜合酶催化至关重要,特定氨基酸突变后会改变酶的催化机制,从而导致产物特异性发生变化。这种特异性变化是否引起了产物手性结构的改变目前还没有学者关注到,而催化产物的手性变化对于研究倍半萜合酶十分关键。对倍半萜合酶活性中心α螺旋连接处氨基酸的突变研究能够阐明氨基酸序列与产物、蛋白结构与功能之间的关系,进一步理解倍半萜合酶产物特异性决定机制以及倍半萜合酶催化机制。本课题以来源不同的两种倍半萜合酶为研究对象,檀香红没药烯合酶(Santalum austrocalenicumβ-bisabolene synthase,Sa BBS)和甜舌草红没药醇合酶(Lippia dulcis bisabolol synthase,Ld BOS)。通过定点突变技术,对Sa BBS和Ld BOS活性中心α螺旋连接处进行定点突变,亲和层析纯化突变体蛋白,体外催化化学合成底物FPP以及中间体橙花叔基焦磷酸(Nerolidyl diphosphate,NPP),气相色谱(GC-FID)和气相质谱(GC-MS)分析催化产物,手性分析确定产物构型。实验结果发现,Sa BBS第426、429位氨基酸突变会影响产物特异性。Sa BBSF426G、S429G、S429A三个突变体催化生成的产物α-Bisabolol明显增多,产生新的副产物α-Bisabolene,手性分析显示α-Bisabolol构型未发生变化。Sa BBSF426G单点突变将β-Bisabolene synthase变为(-)-epi-α-Bisabolol synthase。Sa BBSS429F突变体导致(S)-β-Bisabolene大量减少,α-Bisabolol消失,生成了更为复杂的副产物β-Sesquiphellandrene、Sesquisabinene B。Ld BOS第400、403位氨基酸突变也会影响产物特异性。Ld BOS-G400F、G400Y、A403F三个突变体会使α-Bisabolol减少,二次环化产物Sesquisabinene B明显增多,有趣的是,手性分析结果表明α-Bisabolol构型发生改变,突变后催化底物生成两种构型的α-Bisabolol。结果表明,活性中心α螺旋连接处氨基酸突变会影响倍半萜合酶去质子化、氢离子转移、二次环化能力,改变酶的区域选择性。对于催化过程中能同时产生(S)-Bisabolyl cation和(R)-Bisabolyl cation(S-没药基碳正离子、R-没药基碳正离子)两种中间体的Ld BOS,突变会引起(S)-Bisabolyl cation和(R)-Bisabolyl cation相对形成比例发生变化,且由于活性空腔形状发生改变,水分子从两侧进攻Bisabolyl cation,导致催化产生两种构型的α-Bisabolol。