近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蛋白質(zhì)科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合油菜團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志在線發(fā)表了題為“Insights into themechanism of phospholipid hydrolysis by plant non-specific phospholipase C”的研究論文。該研究解析了植物特有的磷脂水解酶NPC4的工作機(jī)制，為真核生物磷脂水解酶家族的分子機(jī)制提供了新見解。
非特異性磷脂酶C（NPC）是植物特有的一類磷脂酶，受低磷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。NPCs通過水解細(xì)胞質(zhì)膜上的多種膜磷脂和鞘磷脂，介導(dǎo)膜脂重塑，回收、利用無機(jī)磷，維持細(xì)胞磷酸鹽穩(wěn)態(tài)，在植物的生長、發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。相比于其它磷脂酶（A1/A2/D/PI-PLC）水解底物的分子機(jī)制研究，NPCs是迄今為止唯一一類尚未被闡明的磷脂酶。
劉主課題組聯(lián)合郭亮課題組，采用多種生物物理技術(shù)手段，綜合結(jié)構(gòu)分析與動(dòng)態(tài)表征，揭示了植物NPC4水解底物的分子機(jī)制（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，NPC4的三維結(jié)構(gòu)不同于所有已知的磷脂酶，采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式發(fā)揮功能；催化口袋位于NPC4的磷脂酶結(jié)構(gòu)域（PD），新鑒定到的C端結(jié)構(gòu)域（CTD）雖然不直接參與底物的水解，但它對于NPC4的活性是必須的，并通過與PD的相互作用，穩(wěn)定PD的催化口袋，使其形成催化構(gòu)象。結(jié)合生化分析，研究鑒定了NPC4水解底物的關(guān)鍵氨基酸，提出了酶催化反應(yīng)機(jī)理；通過分子對接與分子動(dòng)力學(xué)模擬，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了多種磷脂分子可以結(jié)合到NPC4的催化口袋，進(jìn)而從分子層面證實(shí)了NPC4具備低的底物特異性特點(diǎn)。該研究從機(jī)制上闡明了植物NPC的工作機(jī)理，為磷脂酶家族的催化機(jī)理提供了新的機(jī)制和見解，可為植物和作物磷高效利用的遺傳改良提供重要參考。
博士生研究生范如旖、已出站博士后趙芬、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院龔洲副研究員為該論文共同第一作者，郭亮教授和劉主教授為共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授、美國密蘇里大學(xué)圣路易斯分校/唐納德丹佛斯植物科學(xué)中心王學(xué)敏教授、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院陳艷可助理研究員參與該研究。校級蛋白質(zhì)平臺(tái)為該研究提供了強(qiáng)有力的支持，樣品的衍射和散射數(shù)據(jù)在上海同步輻射光源收集。該研究受到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室基金的資助。
【英文摘要】
Non-specific phospholipase C （NPC） hydrolyzes major membrane phospholipids to release diacylglycerol （DAG）， a potent lipid-derived messenger regulating cell functions. Despite extensive studies on NPCs reveal their fundamental roles in plant growth and development, the mechanistic understanding of phospholipid-hydrolyzing by NPCs, remains largely unknown. Here we report the crystal structure of Arabidopsis NPC4 at a resolution of 2.1??. NPC4 is divided into a phosphoesterase domain （PD） and a C-terminal domain （CTD）， and is structurally distinct from other characterized phospholipases. The previously uncharacterized CTD is indispensable for the full activity of NPC4. Mechanistically, CTD contributes NPC4 activity mainly via CTDα1-PD interaction, which ultimately stabilizes the catalytic pocket in PD. Together with a series of structure-guided biochemical studies, our work elucidates the structural basis and provides molecular mechanism of phospholipid hydrolysis by NPC4, and adds new insights into the members of phospholipase family.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35915-4
日期：2023-01-28
非特異性磷脂酶C（NPC）是植物特有的一類磷脂酶，受低磷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。NPCs通過水解細(xì)胞質(zhì)膜上的多種膜磷脂和鞘磷脂，介導(dǎo)膜脂重塑，回收、利用無機(jī)磷，維持細(xì)胞磷酸鹽穩(wěn)態(tài)，在植物的生長、發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。相比于其它磷脂酶（A1/A2/D/PI-PLC）水解底物的分子機(jī)制研究，NPCs是迄今為止唯一一類尚未被闡明的磷脂酶。
劉主課題組聯(lián)合郭亮課題組，采用多種生物物理技術(shù)手段，綜合結(jié)構(gòu)分析與動(dòng)態(tài)表征，揭示了植物NPC4水解底物的分子機(jī)制（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，NPC4的三維結(jié)構(gòu)不同于所有已知的磷脂酶，采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式發(fā)揮功能；催化口袋位于NPC4的磷脂酶結(jié)構(gòu)域（PD），新鑒定到的C端結(jié)構(gòu)域（CTD）雖然不直接參與底物的水解，但它對于NPC4的活性是必須的，并通過與PD的相互作用，穩(wěn)定PD的催化口袋，使其形成催化構(gòu)象。結(jié)合生化分析，研究鑒定了NPC4水解底物的關(guān)鍵氨基酸，提出了酶催化反應(yīng)機(jī)理；通過分子對接與分子動(dòng)力學(xué)模擬，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了多種磷脂分子可以結(jié)合到NPC4的催化口袋，進(jìn)而從分子層面證實(shí)了NPC4具備低的底物特異性特點(diǎn)。該研究從機(jī)制上闡明了植物NPC的工作機(jī)理，為磷脂酶家族的催化機(jī)理提供了新的機(jī)制和見解，可為植物和作物磷高效利用的遺傳改良提供重要參考。
博士生研究生范如旖、已出站博士后趙芬、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院龔洲副研究員為該論文共同第一作者，郭亮教授和劉主教授為共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授、美國密蘇里大學(xué)圣路易斯分校/唐納德丹佛斯植物科學(xué)中心王學(xué)敏教授、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院陳艷可助理研究員參與該研究。校級蛋白質(zhì)平臺(tái)為該研究提供了強(qiáng)有力的支持，樣品的衍射和散射數(shù)據(jù)在上海同步輻射光源收集。該研究受到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室基金的資助。
【英文摘要】
Non-specific phospholipase C （NPC） hydrolyzes major membrane phospholipids to release diacylglycerol （DAG）， a potent lipid-derived messenger regulating cell functions. Despite extensive studies on NPCs reveal their fundamental roles in plant growth and development, the mechanistic understanding of phospholipid-hydrolyzing by NPCs, remains largely unknown. Here we report the crystal structure of Arabidopsis NPC4 at a resolution of 2.1??. NPC4 is divided into a phosphoesterase domain （PD） and a C-terminal domain （CTD）， and is structurally distinct from other characterized phospholipases. The previously uncharacterized CTD is indispensable for the full activity of NPC4. Mechanistically, CTD contributes NPC4 activity mainly via CTDα1-PD interaction, which ultimately stabilizes the catalytic pocket in PD. Together with a series of structure-guided biochemical studies, our work elucidates the structural basis and provides molecular mechanism of phospholipid hydrolysis by NPC4, and adds new insights into the members of phospholipase family.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35915-4
日期：2023-01-28
