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华人学者神经疾病关键通路有了新发现机械网信息流

2018-01-18 19:31:52

华人学者:神经疾病关键通路有了新发现

生物通报道:最近,美国佐治亚州立大学的研究人员发现,在体内的一个代谢通路中,有一个新的中间步骤和意想不到的酶活性,可为精神疾病和退行性疾病带来新的药物设计。相关研究结果发表在最近的《Nature Communications》杂志。

本文通讯作者为美国佐治亚州立大学化学系的刘爱民(Aimin Liu)教授,其早年毕业于中国科技大学,在中国科学院获得博士学位,曾经在University of Newcastle、Stockholm University、University of Minnesota、 University of Mississippi Medical Center等多所研究机构工作过。刘教授所在实验室运用生物化学、生物信息学、细胞生物学、蛋白结构等工具来研究含金属离子蛋白以及蛋白自由基。近年来在PNAS、JACS、Biochemistry、J. Biol. Chem.等期刊上发表了多篇重要论文。

该研究小组一直都在研究一种称为色氨酸犬尿氨酸通路的代谢途径,这个通路与精神性疾病、神经退行性疾病有关,包括抑郁症、焦虑症、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、亨廷顿病、艾滋病痴呆综合征、新生儿窒息和癫痫。这一通路的医疗潜力值得我们进一步详细研究,以提供关于该通路的酶及其调控的信息。延伸阅读:两篇Cell探讨神经疾病的新机制。

这条通路可产生多种神经递质调节因子,负责体内近99%的色氨酸代谢。色氨酸是血清素(负责情绪的神经递质)的一个前体。研究人员确定了犬尿氨酸通路中的一个酶(AMSDH)的结构和机制。

为了更好地理解这种酶所催化的快速化学反应,刘爱民教授组织了一个研究小组,包括研究生Lu Huo、Ian Davis、Fange Liu和Shingo Esaki,以及布鲁克黑文国家实验室和日本大阪关西大学的研究人员。他们使用新的科学技术,包括延时的晶体学和单晶光谱,将反应速率减慢了近10000倍。这使得他们能够观察到一个新的中间步骤——thiohemiacetal中间体,并在AMSDH中发现了一个意想不到的异构酶活性。

刘教授说:“通过这样做,我们发现了新的化学过程,我们也为其他人设计靶定该通路的特定药物开辟了途径。这一通路与神经退行性疾病及抑郁症密切相关。”

研究人员采用高浓度的纯化蛋白,

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生长单晶,将它们与其底物混合,并在不同时间点冻结在液氮中,以停止所有的分子活动。他们把晶体送到阿贡国家实验室用于远程数据采集。在那里,研究人员利用收集的X射线衍射图形,来产生一副电子密度图,分子形状的三维的、原子级分辨率。研究人员采用延时晶体学和单晶光谱来观察反应的中间步骤。

Davis说:“这是这一中间步骤的第一个吸收光谱。当我们在溶液实验中寻找它时,我们看不到这一吸收带,因为这一中间步骤在溶液中是非常短暂的。但是通过在晶体和凝固状态,你可以看到它们的结晶状态。”

“这些酶通过稳定活性中间体而起作用。通过这种异构化反应机理,我们发现了这种酶所稳定的一种新的活性中间体。所以如果你想设计一种药物,最好的方法是尝试并制造一些看起来与此非常相似的东西,这样药物才会结合这种酶。这是药物设计的一般策略。你想尝试并研制与过渡态非常相似的药物。基本上,我们在这项研究中发现了一个新的过渡态。”

来自这项研究的信息已被存入蛋白质数据库,该数据库可以供其他科学家访问。

在该项目的下一阶段,

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研究人员将确定这一通路中的酶如何相互影响。他们将与埃默里大学精神病学主任Andy Miller博士合作,确定这一通路在人类中的生理应用。

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:Crystallographic and spectroscopic snapshots reveal a dehydrogenase in actionAbstract: Aldehydes are ubiquitous intermediates in metabolic pathways and their innate reactivity can often make them quite unstable. There are several aldehydic intermediates in the metabolic pathway for tryptophan degradation that can decay into neuroactive compounds that have been associated with numerous neurological diseases. An enzyme of this pathway, 2-aminomuconate-6-semialdehyde dehydrogenase, is responsible for ‘disarming’ the final aldehydic intermediate. Here we show the crystal structures of a bacterial analogue enzyme in five catalytically relevant forms: resting state, one binary and two ternary complexes, and a covalent, thioacyl intermediate. We also report the crystal structures of a tetrahedral, thiohemiacetal intermediate, a thioacyl intermediate and an NAD+-bound complex from an active site mutant. These covalent intermediates are characterized by single-crystal and solution-state electronic absorption spectroscopy. The crystal structures reveal that the substrate undergoes an E/Z isomerization at the enzyme active site before an sp3-to-sp2 transition during enzyme-mediated oxidation.

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