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道尔顿Trans。作者手稿;可在PMC 2010年7月20日获得。
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2008年6月27日在线发布。 数字对象标识:10.1039/b803512a
预防性维修识别码:PMC2907160型
美国国立卫生研究院:美国国立卫生研究院213571
PMID:18813363

/参与碱基、核苷、核苷酸和染色质代谢的α-酮戊二酸羟化酶

贾娜·西蒙斯, 蒂娜·穆勒,b条罗伯特·豪辛格通讯作者a、,b、,c(c)

摘要

/α-酮戊二酸依赖性羟化酶均匀地具有双链β-螺旋折叠,其中两个保守组氨酸和一个羧酸盐与其单核亚铁离子配位。提出了α-酮酸的氧化分解,以生成一种铁氧基-氧化物中间体,该中间体能够将无数底物中未活化的碳原子羟基化。这一观点侧重于这些酶的一个亚组,涉及嘧啶补救、嘌呤分解、核苷和核苷酸羟基化、DNA/RNA修复和染色质修饰。介绍了各种反应方案,并总结了选定的结构和动力学信息。

1.0简介

亚铁离子和α-酮戊二酸(α-KG)依赖性加氧酶构成一个酶超家族,其成员存在于动物、植物、原生生物、真菌、细菌甚至病毒中。这一大类酶的大多数代表将αKG的氧化脱羧作用与各种羟基化反应耦合起来(图1),但其他化合物能够催化去饱和、环氧化、卤化、成环或扩环反应,使其能够发挥广泛的生物作用,包括抗生素生物合成、缺氧感应、DNA修复和各种类型的代谢物转化。1毫不奇怪,主要底物也多种多样,包括蛋白质、脂质、核酸和无数可用于合成或降解的小分子。

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铁的一般反应/αKG羟化酶

铁的序列/α-KG双加氧酶几乎没有整体一致性,但不同的反应都是由具有相同核心折叠的蛋白质催化的,并且使用类似的化学方法。4这些酶的特点是它们对铁的使用根据机理激活分子氧(方案1)1982年,Hanauske-Abel和Günzler首次提出脯氨酸4-羟化酶。5(A) 在没有底物的情况下,“面部三联体”(通常是两个His加上一个Asp或Glu,出现在His-X-Asp/Glu-X中n个-他的图案)将六角形金属的一面弱绑在一起。6,7(B) αKG共基质置换两个水并配位Fe以双齿形式与其C1羧基和C2酮氧基。αKG的结合通过其C5羧酸与其他氨基酸的相互作用而稳定,通常包括一个保守的Arg,它位于基序第二个His之外的大约十几个残基。1(C) 初级底物不直接与金属离子相互作用,但其结合导致剩余水分子位移并产生氧结合位点。(D) 与氧气反应很可能形成铁-超氧化物物种。(E) αKG的氧化分解生成Fe四、-能够从主要底物上的非活性碳中提取氢原子的氧代中间体。(F) 羟基作为自由基反弹,导致底物羟基化并恢复Fe酶的形式。四、-直接观察到牛磺酸/αKG双加氧酶(TauD)的氧化中间产物,810脯氨酰4-羟化酶,11和一种相关的卤素酶,12并且被认为是在这个家庭的大多数甚至所有成员中形成的。最近的综述提供了关于该酶家族一般特征的更多细节。1,2

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铁的一般机理/αKG羟化酶

这一观点着重于铁对碱基、核苷、核苷酸和染色质的修饰和αKG依赖性羟化酶(表1). 我们讨论了真菌酶胸腺嘧啶7-羟化酶和黄嘌呤羟化化酶对游离碱的降解和回收。接下来,简要介绍核苷羟化酶。然后,我们检查动粒体原生动物DNA的发育修饰,并总结JBP1和JBP2蛋白具有胸苷羟化酶活性的证据。DNA的氧化修复大肠杆菌讨论了AlkB,并总结了哺乳动物同源物的性质。最后,我们提出了新的证据,表明铁的存在/其他核苷酸和染色质修饰酶中的αKG羟化酶。

表1

所选铁的金属结合和αKG稳定残基及初级底物/αKG依赖性羟化酶

金属装订αKG C5稳定主要基板
配体1配体2配体3
谷朊菌胸腺嘧啶-7-羟化酶他的211阿斯普213他的268参数284胸腺嘧啶、羟甲基尿嘧啶、5-甲酰尿嘧啶
A.鸟巢黄嘌呤羟化酶他的149阿斯普151他的340精氨酸352黄嘌呤
嘧啶脱氧核苷2′-羟化酶ND(无损检测)b条ND(无损检测)ND(无损检测)ND(无损检测)脱氧胸苷
(脱氧)尿苷1′-羟化酶ND(无损检测)ND(无损检测)ND(无损检测)ND(无损检测)脱氧尿苷
布氏锥虫接线盒1c(c)他的213阿斯普215他的263参数279端粒染色质中的胸腺嘧啶
大肠杆菌碱性碱他的131天冬氨酸133他的187氩204ss-DNA或RNA中的1meA、3meC
H.萨皮恩ABH2型他的171阿斯普173他的236氩248ds-DNA中的1meA和3meC
H.萨皮恩ABH3公司他的191阿斯普193他的257参数269ss-DNA或RNA中的1meA、3meC
H.萨皮恩JMJD2A公司他的188谷氨酸190他的276酪氨酸132赖氨酸206组蛋白H3第9或36位的二甲基和三甲基Lys
没有可用的晶体结构,但这些残留物已通过诱变实验证实。
b条ND,未确定。
c(c)这些残留物来自序列比对。

2.0嘧啶和嘌呤羟化酶

2.1胸腺嘧啶7-羟化酶

第一批Fe之一/待发现的αKG-依赖性加氧酶是胸腺嘧啶7-羟化酶(T7H),这是一种对胸腺嘧啶连续三次氧化形成5-羟甲基尿嘧啶(HMU)、5-甲酰尿嘧啶(FU)和尿嘧啶羧酸进行催化的酶(方案2).1316每个反应都需要铁、αKG和O2并产生相应初级产品CO的化学计量2和琥珀酸。一个分子氧原子并入琥珀酸盐,另一个原子并入初级产品。1517这个粘红酵母T7H序列包括假定的金属结合配体His 211、Asp 213和His 268,以及可能的αKG稳定残基Arg 284,但尚未进行结构研究来确认这些分配。

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胸腺嘧啶7-羟化酶的反应

表征T7H的工作重点是来自真菌的酶,如粗糙脉孢菌,粘性乳杆菌、和巢状曲霉它可以生长在胸腺嘧啶上,作为它们唯一的氮源。这些微生物拥有一条补救途径,使宿主能够在缺乏尿嘧啶生物合成的共同“从头”途径的情况下利用胸腺嘧啶作为嘧啶源(图2). 最近发现了编码T7H的基因,18序列比较揭示了真菌界以外的许多同源物,包括细菌(例如。,假单胞菌属物种和野油菜黄单胞菌)和原生生物(例如。,布氏锥虫). 目前尚不清楚这些基因产物是否具有T7H活性。

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嘧啶补救途径。选定的真菌能够通过(1)嘧啶脱氧核苷-2′-羟化酶,(2)核苷水解酶或磷酸化酶,(3)T7H,(4)尿嘧啶-5-羧酸脱羧酶(也称为国际标准化组织-口酸脱羧酶)和(5)尿嘧啶磷酸核糖转移酶。所得UMP可通过标准反应转化为其他核苷酸。

T7H的动力学特性得到了广泛研究,1921与HMU和FU相比,胸腺嘧啶被证明是首选的初级底物。例如,T7H从谷朊菌展品aK胸腺嘧啶约为60μM,HMU的两倍,FU的60倍以上。21此外k个胸腺嘧啶的反应,估计在1000分钟的范围内−1对于谷朊菌酶,21大于HMU或FU。同样,三种底物与N.克拉萨酶估计为4.6:2.3:1。16胸腺嘧啶和HMU结合在同一活性部位,研究表明HMU竞争性抑制胸腺嘧啶羟基化,观察到KK用于HMU使用。19,21基于高K和低k个对于FU,T7H对该底物的羟基化与生理无关;NAD依赖性FU脱氢酶的存在N.克拉萨与本提案一致。21,22没有证据表明该酶具有加工性;相反,有人认为,每次氧化都需要释放产物,以释放T7H活性位点进行另一次周转。21

T7H与各种胸腺嘧啶类似物的反应性很好地说明了与铁相关的显著的化学多功能性/αKG酶家族。除了上述三种反应外方案2,T7H氧化5-乙烯基尿嘧啶、5-甲基硫氧嘧啶、5,6-二氢胸腺嘧啶、1-甲基胸腺嘧啶、-1-甲基尿嘧啶、1-乙基尿嘧啶、6-氮杂胸腺嘧啶和其他,其中一些如方案3.20,23此外,乙炔基尿嘧啶(EU)被酶代谢形成5-羧甲基尿嘧啶和尿嘧啶-5-乙酰甘氨酸,以及一种反应性中间体,该中间体作为一种基于机械的灭活剂,共价修饰蛋白质的苯丙氨酸。24总的来说,T7H的反应性与细胞色素P450的反应性相似,包括环氧化、硫氧化、非活性碳氢键的羟基化和N-去甲基化。21

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胸腺嘧啶7-羟化酶催化的选择性反应的多样性

与其初级底物的松弛特异性相反,T7H对其共底物αKG非常特异,并且在没有O的情况下不会发生反应2. TheK这些基板的值(分别为24和36μM)谷朊菌酶活性低于胸腺嘧啶。在抗坏血酸和5-氟尿嘧啶或尿嘧啶(不能羟基化的底物类似物)的存在下,T7H催化一个解偶联反应,其中O2在胸腺嘧啶依赖的催化速率约为1-6%时被还原。21,25,26这种解偶联反应不涉及αKG的氧化分解,因此与脯氨酰4-羟化酶的例子不同。2729

T7H的动力学同位素效应研究为了解αKG依赖性加氧酶的一般反应机制提供了有用的见解。21,25使用(三氘甲基)胸腺嘧啶作为底物的实验显示,与用标准底物测量的相比,催化速率常数更小,这与碳-氢键的断裂至少部分地限制速率一致。因为V(V)最大值/K即使在还原氧下测量,这种酶也没有表现出同位素效应2浓度,氧结合之前的不可逆步骤被假定发生。这些结果与Hanauske-Abel和Gunzler提出的经典脯氨酰4-羟化酶机制一致,5最近与其他家族成员的研究表明,αKG脱羧和氧-氧键断裂先于碳-氢键断裂。

2.2黄嘌呤羟化酶

黄嘌呤脱氢酶和黄嘌呤氧化酶是研究得很好的高度保守的含钼蝶呤辅因子(Moco)的酶,可将黄嘌呤s转化为尿酸。30这些反应使许多微生物能够利用嘌呤碱、黄嘌呤和次黄嘌呤s作为氮源。的突变A.鸟巢黄嘌呤脱氢酶活性的缺陷被证明能够保持黄嘌呤的生长能力,使其成为唯一的氮源,这表明黄嘌呤s代谢存在第二种机制。31安菲/αKG依赖性黄嘌呤羟化酶(方案4),由编码xanA公司被证明对这一新颖的活动负责。32

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铁的反应/αKG依赖性黄嘌呤羟化酶

XanA的酶学性质是从巢状芽孢杆菌并以异体表达为他的6-标记融合蛋白大肠杆菌.33这两种形式在四元结构(分别是十二聚体和单体)、翻译后修饰(例如,真菌形式高度糖基化)和长度(真菌蛋白在N末端显著截断)方面不同;然而,它们的酶性质非常相似(k个30–70秒−1K黄嘌呤为45μM)。XanA对其主要底物高度特异,仅对9-甲基黄嘌呤观察到微量活性,而6,8-二羟基嘌呤被发现是一种慢结合竞争性抑制剂。33,34不能被任何其他二价金属取代,α-酮己二酸是唯一具有活性的替代共底物。33利用C8氘化黄嘌呤进行的动力学同位素效应研究表明,碳氢键断裂在整个反应中没有速率限制。相反,V(V)最大值2H(H)2O表示具有可交换质子的化学基团在速率限制步骤中很重要。33

XanA无晶体结构;然而,构建了一个同源模型(图3)以TauD为模板,通过突变研究证实了该模型的几个特征。33,34推测的铁发生突变后,活性急剧下降-结合配体(His 149、Asp 151和His 340)。Lys 122在稳定αKG中起着重要作用,这可以通过增加Kd日根据荧光猝灭研究,对于αKG,预计Arg 352将与α-酮酸的C5羧酸盐形成盐桥。这个k个/K与野生型酶相比,N358A变异体的值减少了23倍,表明Asn 358在催化中起着重要作用。在比较黄嘌呤和9-甲基黄嘌呤s作为底物时,根据Ala突变体的活性测量,预测Cys 357、Glu 137和Asp 138位于黄嘌呤斯的N9位置附近。Gln 101和Gln 356被初步鉴定为沿着活性位点排列的额外残基,可能对催化很重要。该模型从空间位阻、错误的互变异构偏好或其他类底物化合物关键相互作用的中断等方面对XanA的窄底物特异性提供了合理解释。

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XanA的结构符合同源模型。(A) XanA蛋白的预测总折叠被描绘成一条绿色丝带。(B) 拟建活动场地的放大图。在两个面板中,Fe为橙色球体,αKG具有黄色碳原子,金属配体具有蓝色碳原子,橙色碳原子显示为辅因子稳定残基(Arg 352),其他假定活性中心残基显示为白色碳原子。

3.0核苷羟化酶

铁的两种类型(II)/α依赖KG的羟化酶已被证明利用核苷作为底物。首先,嘧啶脱氧核苷2′-羟化酶活性(反应1图2)在中记录N.crassa和A.nidulans、和粘性乳杆菌并能将脱氧胸腺嘧啶或脱氧尿嘧啶转化为各自的核糖体(方案5).3538其次,谷朊菌被证明含有一种酶,可以使尿苷或脱氧尿苷的1′位羟基化,从而释放尿苷,如方案6.39编码这些酶的基因尚未确定,蛋白质也尚未进一步鉴定。

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嘧啶脱氧核苷2′-羟化酶与胸苷(X=CH)的反应)或脱氧尿苷(X=H)

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脱氧尿苷(尿苷)1′-羟化酶的反应

4.0多核苷酸羟化酶

4.1原生物的胸苷羟化酶

胸腺嘧啶修饰的另一例是在动粒细胞中发现的。这些原生生物有两个不同的生命阶段;也就是说,昆虫媒介体内的前循环形式和血液形式导致了几种疾病,最著名的是非洲昏睡病。这种疾病是由哺乳动物宿主感染布氏锥虫由于寄生虫能够转换其表达的表面被膜糖蛋白(一种称为抗原变异的过程),这种情况持续存在。40 布氏锥虫包含许多可变表面糖蛋白基因,这些基因被组织成大约20个亚团表达位点。血液中核DNA的端粒和亚端粒重复序列中多达百分之一的胸腺嘧啶布氏锥虫被β-D-葡萄糖基-羟基甲基尿嘧啶(碱基J)取代,但在缺乏抗原变异的寄生虫昆虫形态中未发现任何修饰。41,42这种修饰的碱基被认为可以诱导染色质致密化,从而稳定染色体不受这些重复序列中重排的影响。43,44此外,J碱基被认为在与抗原变异过程相关的基因沉默中起作用。45

间接证据表明,碱J的合成分两步进行(方案7).46,47首先,胸腺嘧啶的甲基必须羟基化才能产生羟甲基尿苷(HOMedU),这一点可以从锥虫血液DNA中的低水平HOMedU得到证明。48接下来,羟甲基部分必须进行葡萄糖基化。这种反应并不特定于序列或生命周期阶段,正如在血流中随机放置碱基J和培养基中含有HOMedU的细胞的前循环形式所证明的那样。43一种J结合蛋白(JBP1)在布氏锥虫并显示与DNA中的碱基J特异结合。49随后,发现另一种锥虫蛋白与JBP1具有某些N末端序列相同性(与SWI2/SNF2染色质重塑蛋白家族具有同源性),并命名为JBP2,尽管它不与含J的DNA结合。50JBP1和JBP2序列的一部分与铁中的蛋白质表现出微弱的相似性/αKG双加氧酶家族,导致这些蛋白可能在锥虫中作为胸苷羟化酶发挥作用的假设。51

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动质体中碱J的生物合成

最近的证据支持JBP1和JBP2作为铁的功能/J生物合成过程中的αKG依赖性羟化酶。发育调节的JBP1仅在锥虫的血液形式中产生,而昆虫形式中不含这种蛋白质或碱J。52编码JBP1基因的双敲除布氏锥虫虽然没有引起表型,但将基础J水平降低到野生型微生物中发现水平的5%。52JBP2基因敲除可将碱基J水平降低至20%,并消除锥虫在新端粒DNA中合成碱基J的能力。53与不含该蛋白的细胞相比,用HOMedU生长的细胞在JBP1存在下失去J碱基的速度较慢,这与维持J碱基作用一致。52二级结构预测表明,全β核与Fe的几个成员共享特征/折叠识别搜索的αKG双加氧酶家族。51JBP1中假定活性位点残基的突变产生了无法补充JBP1缺失突变以恢复碱基J水平的蛋白质。51最后,纯化JBP1与Fe的厌氧培养和αKG在~500 nm处产生了弱吸收特征(未发表的观察结果),这与在该酶家族的其他几个成员中观察到的金属-配体电荷转移转变一致。5456

4.2大肠杆菌AlkB与烷基化DNA/RNA的修复

大肠杆菌alkB自20世纪80年代以来,人们一直在研究其在烷基化损伤适应性响应中的作用。57,58长期以来,人们都知道这种基因会对某些甲基化试剂产生耐药性,2002年,人们发现这种编码的蛋白质是铁蛋白家族的一员/αKG双加氧酶。59,60该酶催化DNA中1-甲基腺嘌呤(1meA)和3-甲基胞嘧啶(3meC)的N-脱烷基,其机理如方案8创造了一种不稳定的中间产物,可以自发释放甲醛来再生天然碱。AlkB修复RNA中类似的损伤,61包括mRNA和tRNA。62此外,蛋白质脱烷基1-甲基鸟嘌呤(1meG)、3-甲基胸腺嘧啶(3meT)和DNA的几种乙烯加合物。6366

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AlkB与DNA中1meA和3meC的反应

晶体结构已被报道用于大肠杆菌AlkB与Fe络合物,αKG和三脱氧核苷酸底物T-1meA-T(图4)对于结合锰的蛋白质,αKG和共价系留ds-DNA(未显示)。67,68这些结构揭示了金属中心活性位点的细节,并有助于阐明酶如何调节其各种底物(ss-DNA、ds-DNA和各种形式的RNA)。残余His 131、Asp 133和His 187结合金属,αKG坐标Fe以双齿方式(通过C1羧酸和C2酮基),来自Arg 204的盐桥使αKG C5羧酸盐稳定。氧结合的开放配位位点不指向基底(称为“离线”几何结构);1因此,需要在氧结合之前改变C1羧酸盐的位置,或在生成铁之后发生“铁酰翻转”四、-氧代中间体。4三聚体底物被弯曲,从而将受损的碱基延伸到活性位点口袋深处,形成十个已识别的氢键,并与蛋白质进行更多的范德华接触。N末端通过由3条β链组成的高度灵活的核苷酸识别域或盖子,负责约一半已识别的与底物的接触。该蛋白质区域基于结合态和无核苷酸态的叠加结构而具有灵活性,因此可以在不丢失关键接触的情况下进行移动和重新定向。基础水平的底物特异性在口袋深处提供;Arg 210和腺嘌呤部分之间的氢键也可以用胞嘧啶形成,但不能用其他两种碱形成,这解释了为什么AlkB更喜欢1meA和3meC作为底物。最后,AlkB对ss-DNA/RNA底物的适度偏好61,69这是因为核苷酸聚合物被定向延伸到疏水囊中,并通过与附近芳香残基的碱基堆积提供稳定。ds-DNA的结合涉及修饰核苷酸之前的糖环倒置、互补链的扭曲以及损伤部位的翻转,以将甲基化碱基延伸到活性位点。68

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AlkB(PDB 2fd8)的结构。(A) AlkB的整体折叠。(B) AlkB的活性部位残留物。着色方案与图3,并且结合的T-1meA-T基底显示为粉红色碳原子(基底在B中缩写为仅1meA)。

动力学研究使用多种底物检查了AlkB活性。速率为12分钟−1报告了随机甲基化聚(dA),70或约4分钟−1用于两种特定的单甲基寡核苷酸。71两组分别测定了晶体结构研究中使用的三脱氧核苷酸T-1meA-T的催化速率,发现分别为7.4和4.5 min−1分别是。67,70甲基化碱的磷酸盐5′对正确识别至关重要,因为其表观含量增加了6倍K当它丢失时,70这一结果与该5′磷酸盐既有氢键又有盐桥的晶体结构相一致。67

除了在上述底物上观察到的脱烷基反应外,已知AlkB还表现出其他类型的反应性。可去甲基化的最小底物被确定为1-me-dAMP,70而核苷1-meA、1-me-2′-dA、3-meC和3-me-2′-dC被证明可以刺激αKG分解,而不会发生去甲基化。72在没有核苷酸的情况下,但存在αKG和O2,AlkB羟基化其自身的Trp 178(位于活性部位附近,参见图4)生成羟基色氨酸侧链。该修饰残基和氧化金属位点之间的配体-金属电荷转移过渡导致蓝色蛋白质在595 nm处最大吸收。73

4.3哺乳动物AlkB同系物

已证明存在八种人类AlkB同源物,命名为ABH1至ABH8。74其中研究得最好的是ABH2和ABH3,它们催化的反应与AlkB相同(方案8)即甲基化多核苷酸的氧化修复伴随着αKG的脱羧反应,产生天然碱、甲醛、琥珀酸和CO2.61,62,69,75,76编码这些酶的基因可以补充alkB有缺陷的大肠杆菌菌株恢复对甲基化剂甲基甲磺酸的抗性。体外用纯化的双加氧酶进行的分析表明,ABH2更喜欢ds-DNA,而ABH3对RNA和ss-DNA表现出更大的活性。动力学测量表明,这些酶适应良好,对底物的活性接近扩散极限。76这两种酶在组织分布上略有不同,但这两种人类同源物在睾丸中高度表达,而相应的小鼠同源物在心脏中大量表达。75,76有趣的是,它们的亚细胞定位不同;ABH2是唯一的核,而ABH3在细胞核和胞浆中都发现。61我们创建了ABH2和ABH3基因敲除小鼠,证明其是可行的,并用于证明双链DNA的修复主要依赖于ABH3,而ABH2可能在mRNA修复中发挥作用。77ABH2也以缺乏外显子2的形式存在,导致C末端Fe的移码缺失/αKG结合结构域;截断ABH2的函数未知。78

ABH2与Mn结晶,αKG和共价链DNA,68提供2.5 a的分辨率结构(图5). 该酶保留AlkB的整体折叠,使用His 171、Asp 173和His 236协调金属离子,通过Arg 248结合αKG的C5羧酸盐,并具有额外的环,可以结合ds-DNA的互补链。特别令人感兴趣的是Phe 102,它插入DNA中,以取代从双链DNA中翻转出来的甲基化碱基及其无序的互补碱基。

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ABH2(PDB 3buc)的结构。(A) ABH2与含有1meA的系链DNA的总折叠。(B) 具有1meA的ABH2活性位点残留。为了降低氧反应性,活性中心Fe被Mn取代(描绘为灰色球体)。其余着色方案与上述相同。

ABH3的晶体结构在铁和αKG的配合物中以1.5 A的分辨率进行了求解(图6).79该结构包含典型的铁芯/αKG依赖性双氧酶,包括铁结合配体His 191、Asp 193和His 257以及与αKG形成盐桥的Arg 269。由β4和β5形成的发夹在活性部位上形成一个盖子,带正电荷的凹槽构成DNA和RNA结合缝隙。ABH3结构与ABH2或AlkB的重叠显示了底物结合的显著结构差异。68,79特别是,ABH3缺乏用于识别ds-DNA互补链的ABH2的额外DNA结合环。此外,ABH3具有比AlkB更具极性的底物结合囊,这可以部分解释该蛋白底物专一性更强的原因。此外,与糖磷主链接触的残基很少在后两种酶之间保守。虽然三脱氧核苷酸T-1meA-T在AlkB活性部位采用了一种非常不寻常的构象,但ABH3中的空间位阻阻止了这种构象。作者建议ABH3以与AlkB相反的方向结合其DNA底物。79与主要底物相反,αKG在这些加氧酶中的结合类似。晶体结构还揭示了对ABH3活性重要的几个新的关键残基。一个特征由三个带负电荷的残基组成,Glu 123、Asp 189和Asp 194,位于DNA/RNA结合沟的入口。E123A突变体的实验表明,ds-DNA的活性增加了5倍,而ss-DNA的活力仅增加了1.5倍,这表明该残基与ds-DNA底物有区别。另一个重要的残基是Arg 122,其侧链位于插入DNA的理想位置,从而参与核苷酸翻转。Leu 177在活性部位占据中心位置,被提议作为“缓冲挡块”,以防止烷基化嘌呤过深地渗透到催化囊中。另一个有趣的是,可能与AlkB中Trp 187的自羟基化类似,发现ABH3的Leu 177在C4处部分氧化(成为羟基和羰基的混合物),即使在厌氧纯化时也是如此。

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ABH3(PDB 2iuw)的结构。(A) ABH3的整体褶皱。(B) ABH3活性部位放大,着色如上所示。请注意,Leu177是一种氧化物种。

ABH1和ABH4-ABH8的功能尚未阐明。在所有哺乳动物同源物中,ABH1的序列与AlkB最接近;然而,未检测到脱甲基活性。7577类似地,ABH4、ABH6和ABH7不表现出去甲基化活性,而ABH5和ABH8在大肠杆菌据我们所知,没有活动测量报告。76就在最近,一种新的更长形式的ABH8被鉴定出来,并显示包括RNA识别基序和甲基转移酶结构域。78在同一研究中,使用GFP融合蛋白研究了所有人类AlkB同源物的细胞表达;ABH1和ABH4-ABH7遍布细胞,而ABH8仅在细胞质中检测到。实时PCR实验表明,所有人类AlkB同源物在检测的组织中普遍表达。ABH1在脾脏中的表达最高,所有同源物在胰腺和睾丸中的表达均升高。在另一项研究中,ABH1−/−击倒老鼠被创造出来了。80这些基因敲除小鼠可以存活和繁殖,但表现出子宫内生长迟缓和胎盘缺陷。酵母双杂交试验进一步表明,ABH1与Mrj相互作用,Mrj是大肠杆菌DNA共同伴侣DnaJ。这些数据表明ABH1可能在基因表达调控中发挥作用。

5.0染色质羟化酶

几个Fe/αKG依赖酶已被证明可以利用氧化化学去除染色质相关蛋白上的甲基化标记。该活性的第一个公开实例涉及JMDM1(JmjC结构域组蛋白去甲基酶1),该酶在组蛋白3的36位去甲基化二甲基-Lys和单甲基-Lys。81这项工作之后,很快出现了大量的报告(未列出),描述了作用于选定组蛋白尾部不同位置的相关甲基-Lys去甲基酶,其中许多能够去甲基化三甲基-Lys。此外,JMJD6被证明具有甲基-精氨酸脱甲基酶的功能。82在所有情况下,建议这些酶使用方案9和10。10黄蛋白胺氧化酶LSD1也能逆转组蛋白中的单甲基-Lys。83

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甲基-Lys脱甲基酶的反应涉及从某些组蛋白的特定Lys残基中去除甲基

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甲基-精氨酸脱甲基酶的反应涉及从特定组蛋白的精氨酸残基中去除甲基

结构研究为JMJD2A组蛋白去甲基酶的催化机制和特异性提供了关键见解,该酶在组蛋白3的9或36位识别二甲基和三甲基-Lys(图7). 这种蛋白质的催化核心折叠成这种酶家族典型的果冻状结构,还有包括锌指基序在内的额外结构域。84他的188、Glu 190和His 276用作金属配体,而αKG(或在所示情况下,αKG同系物N-草酰甘氨酸)通过与Tyr 132和Lys 206的相互作用而不是通过与Arg的盐桥稳定在C5,表现出预期的双齿配位。催化结构域与含有甲基化Lys残基的各种肽的络合物突出了底物特异性的机制,包括对多甲基化肽的偏好。8587氧结合的开放配位位点指向要羟基化的甲基;即,该结构描述了羟基化的“在线几何”。

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组蛋白脱甲基酶JMJD2A(PDB 2p5b)的结构。(A) 组蛋白脱甲基酶的整体视图,结合锌显示为灰色球体,肽底物显示为粉红色碳,αKG同源N-草酰甘氨酸取代共底物。(B) 所示为JMJD2A的活性部位,仅含有底物的三甲基-Lys部分。着色方案同上。

6.0结论与展望

/α-KG-依赖性加氧酶是一类催化多种氧化反应的酶,1,2只有一部分作用于碱基、核苷、核苷酸和染色质。这些蛋白质都包含类似的核心折叠,并使用类似的化学方法使其底物羟基化。该家族的其他代表可能会被发现。例如自由贸易组织序列分析预测,与人类肥胖发病有关的基因产物是该酶超家族的成员。88事实上,小鼠FTO蛋白(被发现是下丘脑中表达最高的核蛋白,下丘脑是大脑调节能量平衡的一部分)显示出铁的存在αKG和1meT的氧依赖性脱甲基活性。89这种脱烷基活性与该蛋白的生理功能的相关性尚不清楚。染色质的其他组分,如各种调节蛋白,是该蛋白家族未来包含的潜在候选成分。在这方面,低氧诱导因子(HIF)是一种参与低氧反应的转录因子,由几种铁调节/靶向蛋白质中特定脯氨酰和天冬酰胺侧链的αKG依赖性羟化酶。90,91HIF特异性脯氨酰羟化酶的结构92和HIF特异性天冬酰胺羟化酶(也称为抑制因子HIF,FIH)9395已被阐明。

尽管Fe很普遍/αKG依赖性羟化酶在染色质、核苷酸、核苷和碱基组分的氧化反应中,重要的是要记住其他种类的酶催化类似的化学反应。已经提到的一个例子涉及含钼酶黄嘌呤氧化还原酶对黄嘌呤s的代谢;相关的Moco-羟化酶可能被发现对其他相关底物具有特异性。30以同样的方式,这里描述的加氧酶化学也可以通过使用细胞色素P450来实现,96二铁羟化酶,97Rieske型含铁氧化酶,98蝶呤依赖性羟化酶,99黄素蛋白单加氧酶,100和其他催化剂。101因此,生物化学和遗传学研究对于确定其他生物体中负责这种转化的羟化酶仍然很重要。

致谢

美国国立卫生研究院拨款GM063584支持了豪辛格实验室与该主题相关的研究。

传记

• 

Jana M.Simmons是一名研究生,于2004年获得阿尔玛学院生物化学学士学位。她研究了来自布氏锥虫的假定胸腺嘧啶和胸腺嘧啶羟化酶的作用,以确定这些蛋白质是否参与在这些原生动物中发现的新J碱基的形成。

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• 

Tina A.Müller在瑞士联邦理工学院获得了环境科学硕士学位(1999年)和微生物学博士学位(2004年),研究苯氧丙酸盐除草剂的降解。她描述了几个Fe/自2004年作为博士后科学家加入Hausinger实验室以来,α-酮戊二酸羟化酶一直是研究人类AlkB同系物1功能的研究助理教授。

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• 

1982年,罗伯特·豪辛格(Robert P.Hausinger)与吉姆·霍华德(Jim Howard)在明尼苏达大学获得博士学位。在麻省理工学院与克里斯·沃尔什(Chris Walsh)进行博士后培训后(1982年至1984年),他加入了密歇根州立大学(Michigan State University),担任生物化学和微生物学教授和定量生物学项目主任。他的研究重点是金属酶的生物合成机制以及铁的催化机制和多功能性/α-酮戊二酸羟化酶。

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