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Nature子刊 | 突破!山东大学李福川/张玉忠首次发现外切性肝素酶

肝素酶是研究高度异质肝素(HP)/硫酸乙酰肝素(HS)的关键工具。然而,仍然没有发现对HP / HS链进行测序迫切需要的外切性肝素酶。
2021年2月24日,山东大学李福川及张玉忠共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Discovery of exolytic heparinases and their catalytic mechanism and potential application”的研究论文,该研究从不同细菌的基因组中鉴定出一种类型的外切性肝素酶(exoHepases)。
这些外切性肝素酶与已知的肝素酶几乎没有同源性,并且倾向于通过从其还原末端顺序释放不饱和二糖来消化HP。exoHepase(BIexoHep)的结构研究表明,N末端保守的DUF4962超家族结构域是这些exoHepaase酶活性必不可少的,这涉及形成独特的L形催化腔,通过控制底物的顺序消化静电相互作用。此外,已使用BIexoHep对几种HP八糖进行了初步测序。总体而言,这项研究填补了exoHepases的研究空白,并为HP / HS链的结构和功能研究提供了迫切需要的工具。



肝素(HP)/硫酸乙酰肝素(HS)是糖胺聚糖家族的多阴离子和非均质多糖,广泛存在于细胞表面和细胞外基质(ECM)以及细胞内环境(肥大细胞中)。HP / HS的各种结构特征允许这些分子与各种蛋白质相互作用,例如酶抑制剂,趋化因子,生长因子,形态发生子和其他信号蛋白,参与各种生理和病理过程,例如凝血,细胞粘附,炎症,细胞迁移,分化,甚至是致病性感染。这些重要的生物学作用引起了HP / HS的结构和功能研究以及临床应用的极大关注。自1916年被发现以来,HP及其低分子制剂作为最重要的抗凝剂类别已广泛用于临床治疗。

HP / HS多糖的主链由重复的二糖单元组成,该单元由D-葡萄糖醛酸(GlcA)/ L-艾杜糖酸(IdoA)和N-乙酰基-D-葡萄糖胺(GlcNAc)组成。在HP / HS的生物合成过程中,它们的常见前体是由重复的双糖GlcA–GlcNAc单元组成,然后被包括N-去乙酰基酶-N-磺基转移酶和3-O-和6-O-磺基转移酶的多种酶进一步修饰。这些修饰可导致HP / HS多糖中的多种二糖变异,这使HP / HS成为自然界最复杂的聚合物。因此,高结构复杂性严重阻碍了HP / HS的结构和功能研究。

来自细菌的肝素酶是一种多糖裂解酶,可特异性催化HP / HS链中GlcNAc和GlcA / IdoA残基之间的糖苷键的β-消除反应,以产生在非还原端含有4,5-不饱和糖醛酸残基的寡糖,是进行HP / HS结构和功能研究必不可少的工具。

迄今为止,根据其底物特异性,已鉴定的肝素酶可分为三种类型:肝素酶I(EC4.2.2.7),其特异性降解高度硫酸化和富含IdoA的HP;肝素酶 III(EC 4.2.2.8),它倾向于降解低硫酸盐和富含GlcA的HS;肝素酶 II(EC 4.2.2.-),可同时消化HP和HS。在结构上,肝素酶I折叠成β型果冻卷式结构,更喜欢裂解连接到IdoA2S / GlcA2S残基的α-1,4-链。相反,肝素酶III由一个N末端(α/α)桶状结构域和一个C末端反平行的β夹心结构域组成,它倾向于裂解连接到GlcA / IdoA残基的α-1,4-链 。肝素酶II采用类似于肝素酶III的拓扑结构,对某些GlcA / IdoA或IdoA2S / GlcA2S结构没有选择性。所有的肝素酶都具有相似的催化机制,其中His-Tyr充当Brønsted碱和酸。值得注意的是,所有鉴定出的肝素酶都属于内切裂解酶家族,它们随机地裂解内部的HP / HS链,而外源型肝素酶可能是对HP / HS链进行测序的非常有用的工具。

在这里,该研究发现了一种具有酶解活性的肝素酶。这些外切性肝素酶属于PL15家族,更喜欢通过依次释放不饱和二糖来降解还原端的高度硫酸化的HP链。进一步的结构研究表明,溶血性肝素酶的活性中心是一个L形的半开放式隧道,具有带正电的入口和带负电的出口,可精确控制高负电HP的顺序裂解。这种外切机制与PL15家族中其他已鉴定的外切酶明显不同。总体而言,这项研究填补了exoHepases的研究空白,并为HP / HS链的结构和功能研究提供了迫切需要的工具。


参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21441-8



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