2017年10月4日，Jacques Dubochet、Joachim Frank、Richard Henderson因对冷冻电镜技术(cryo-EM)的发展做出的突出贡献被授予2017年诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院在颁奖时指出，冷冻电镜这一结构生物学研究利器“使得生物化学迈向了新的时代”。
丝状酶存在于生命的各个领域，但其丝状化的优势仍旧难以解释。其中，一些厌氧自养细菌中含有一种不寻常的丝状酶可用于CO2固定，即氢依赖性CO2还原酶(HDCR)，可以直接将H2和CO2转化为甲酸。与目前其它已知的生物或化学催化剂相比，HDCR还原CO2具有更高的活性，因此在两个相关领域获得科研人员的广泛关注：储氢和捕获大气CO2以应对气候变化。然而，目前HDCR高催化转化性能的机理仍然未知。
在本文中，作者采用cryo-EM揭示出产乙酰细菌基伍热厌氧杆菌的短HDCR丝结构。研究发现，该结构的最小重复单元是一个六聚体，由甲酸脱氢酶(FdhF)和两个氢化酶(HydA2)组成，围绕氢化酶Fe-S亚基的核心。通过将结构定向突变与酶分析相结合，表明成丝和通过成丝的快速电子转移可以增强HDCR活性。为研究HDCR的原位结构，作者采用冷冻电子断层扫描法进行细胞成像，发现HDCR丝束成大环状结构附着在细胞膜上，从而进一步增强HDCR的稳定性，并在细胞内形成一个专门的代谢小室。
第一作者：Helge M. Dietrich、Ricardo D. Righetto
通讯作者：Volker Müller、Benjamin D. Engel、Jan M. Schuller
DOI: 10.1038/s41586-022-04971-z
亮点解析
如图1所示，成功获得33853张cryo-EM图，并测定出整体分辨率为3.4 Å的短HDCR丝单粒子结构(蛋白质数据库(PDB) ID: 7QV7)。在分子核心，实现了2.7 Å的局部分辨率，从而能够在单残留水平上进行可靠建模。然而，由于丝和相关酶的灵活性，外围仅达到较低的分辨率(大于5 Å)。因此，作者借助蛋白质主干的α折叠预测和辅基定位的同源性模型对上述区域进行建模。
图1. 短HDCR丝状酶的Cryo-EM结构。
丝状酶的重复亚基为六聚体，其中两个HydA2酶与两个HycB4蛋白结合，一个FdhF酶与一个HycB3结合。酶活性蛋白从HycB3–HycB4核心向外，在横截面上观察时形成三芒星结构(图2a)。HydA2由两个结构域组成，采用经典[FeFe]氢化酶的蘑菇状结构。茎结构域包含两个[4Fe4S]簇，可以直接将电子传输至双瓣帽结构域中的活性位点(图2a)。电子传导亚基HycB3和HycB4形成HDCR酶的核心，并直接连接到酶亚基上。这些蛋白由两个通过双螺旋相关的融合细菌铁氧还原蛋白结构域组成(图2b)。HycB4形成HydA2的复合结合平台，螺旋β2和环插入α2和β3之间。HycB3通过与螺旋α2形成二分界面和插入的铁氧还原蛋白结构域的β9和β10之间的螺旋插入来吸收FdhF (图2a-b)。
图2. HDCR丝状酶重复单元中的分子连接性。
成丝增强HRCR活性
如图3a所示，HycB4有一个额外的相互作用表面，即β9和β10之间的环插入，该环嵌入至丝中HycB4分子的第二个铁氧还原蛋白结构域的薄片上。在体内，HDCR_His产物能够挽救Δhdcr菌株的生长表型(图3b)。用HydA2-His6或His6-FdhF纯化的蛋白质不能从H2+CO2中生成甲酸，也不能从甲酸中生成H2。实际上，HycB3 C-末端螺旋产生复合物的分子质量约为一个重复的六聚HDCR单元，而HDCR_HycB4ΔC复合物的质量类似于一对HydA2–HycB4二聚体的质量(图3c)，与SDS-PAGE分析一致(图3d)。由于HDCR_HycB4Δ[4Fe4S] IV突变，甲酸氧化产生的电子只能直接穿梭到最近的氢化酶，甲酸析氢的活性仅为6%，H2+CO2生成甲酸的活性为12% (图3e)。
图3. 成丝由HycB3和HycB4的c端螺旋介导，从而增强HDCR活性。
如图4a-b所示，除改善丝的连接性外，丝状酶中额外的蛋白-蛋白相互作用也可以稳定外周相关酶的附着。特别地，HycB3–FdhF子复合体在最小重复单元中具有非常暴露的位置。此外，长丝的形成使HycB主链刚性化，从而将该中心纳米线锁定在有利于有效电子传输的构象中。如图4c-d所示，这允许电子长距离传输，以还原远离H2氧化位点的CO2分子。HDCR纳米线可以存储电子用于非酶多细胞色素和多血红素蛋白，并允许两个反应的空间和时间分离，有助于最大限度地提高酶活性。
图4. 电子纳米线形成HDCR丝状酶的中心。
HDCR丝状酶的细胞结构
如图5a-f所示，在大多数断层照片中，可以观察到连接至细胞膜的成束细丝。亚谱揭示出HDCR束的分子结构，并解析17 Å处的天然丝结构(图5g-i)。通过将这些平均值映射回细胞体积，发现成束的纤丝可组装成附着在细胞膜上的大型环形结构(图5c-f)。可以观察到部分环和完整环，后者由大约100根细丝组成，内径约为200 nm。HDCR卓越的催化活性使其成为H2储存和碳捕获反应的一个极具前景的工具，这些反应是生产可再生燃料的基础，甚至可能是开发负排放技术以应对气候变化的基础。该研究揭示出HDCR丝和束的精细连接，并为未来的生物工程应用提供分子蓝图。
图5. HDCR丝束结合在天然T. kivui细胞的细胞膜上。
文献来源
Helge M. Dietrich, Ricardo D. Righetto, Anuj Kumar, Wojciech Wietrzynski, Raphael Trischler, Sandra K. Schuller, Jonathan Wagner, Fabian M. Schwarz, Benjamin D. Engel, Volker Müller, Jan M. Schuller. Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation. Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04971-z.
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04971-z
声明
本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
“邃瞳科学云”直播服务
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系翟女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
