毛白杨4CL蛋白结构揭示其酶活机理

4-coumarate:coenzyme A ligase (4-香豆酸:辅酶A连接酶，简称4CL) 是植物苯丙氨酸类代谢途径 (phenylpropanoid pathway) 中最重要的酶。4CL催化4-香豆酸与ATP和CoA反应生成活化的4-香豆酸CoA硫酯，这个硫酯是苯丙氨酸类代谢途径所有产物的前体。植物通过苯丙氨酸类代谢途径生成种类繁多的最终产物。这些产物所覆盖的功能非常广泛，诸如：信号传递、抗菌、植物毒素、果实的香味与颜色、花的色素、抗氧化、紫外线防护等等。这些产物对人类社会和自然环境有巨大的影响。其中最重要的产物是木质素。木质素是在自然界中总量仅次于纤维素的生物高分子物质。据估计每年被固化的CO2约有25%至30%最终被转化为木质素。

因为苯丙氨酸类代谢途径产物的重要性，这个代谢途径一直是生物工程改造的重要靶标，所使用的手段主要是改造这个代谢途径中的酶，而4CL因其重要性而最受关注。为达到改造4CL蛋白以改善植物品质的目的，我们必须对这个蛋白的结构与功能的关系有深刻的了解，而测定4CL的高分辨率晶体结构就成为这方面研究能够进行的必要条件。在此之前，这方面的研究一直使用与4CL只有很低同源性的晶体结构作为模型，或者使用间接的生化手段，例如定点突变的方法。由这些研究得到的结果必然有很大的局限性，但这类研究也凸现了4CL晶体结构的重要性。

中国科学院生物物理研究所王大成组与北京林业大学蒋湘宁组合作与2010年解析了毛白杨4CL及其与中间产物类似物的复合物结构（图1），这项研究成果发表于Plant Cell杂志。

图1  (A) 毛白杨4CL及其与一个中间产物类似物（粉红色模型）的复合物结构。(B) 毛白杨4CL的底物结合口袋及其与中间产物类似物之间的作用。

通过对这个蛋白的结构分析，我们确定了它的酶活中心和酶学机理，并且确定了4CL对不同底物特异性的结构基础。这些为我们进一步改造这个蛋白、提高林产品的品质奠定了良好的基础。

同步辐射光源的应用在4CL结构解析过程中起了至关重要的作用。我们虽然较早就得到了分子置换相位，但一直不能以此得到正确的结构。直到我们用硒代4CL晶体在北京同步辐射装置 (BSRF) 上收集了3.0Å分辨率有反常散射信号的衍射数据并获得了正确的相位信­­息，我们才得以解析4CL的晶体结构。

发表文章：

Y. Hu et al., Crystal structures of a Populus tomentosa 4-coumarate:CoA ligase shed light on its enzymatic mechanisms. Plant Cell, 2010 (22), 3093-3104.