Tóm tắt nghiên cứu

OPG (glucans periplasmic được điều hòa OSMO) được polysacarit tổng hợp bởi vi khuẩn gram âm (*1) vào các vùng ngoại bào và periplasmic (*2) Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng glycan này liên quan sâu sắc đến khả năng gây bệnh và khả năng cộng sinh của vi khuẩn

Một nhóm nghiên cứu bao gồm giới thiệu trước đây về sinh học (Chương trình tiến sĩ năm thứ nhất), tỷ lệ kèo nhà cái Sinh học, Trường Đại học tỷ lệ kèo nhà cái học và Kỹ thuật, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo, Phó Giáo sư NAKAJIMA Hiroyuki, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, Đại học Niigata và các nhóm nghiên cứu khác, được coi là rất cần thiết để tổng hợp các bộ xương glycobiology trong OPGOPGGvàOPGDđã được phân tích và thấy rằng đây là glycoside hydrolase (GH) với β-1,2-glucan (*3) làm chất nền

gen trong nhiều mầm bệnhOPGGsẽ không tổng hợp OPG và sẽ dẫn đến mất khả năng gây bệnh Tuy nhiên, chức năng sinh hóa của sản phẩm của nó, protein OPGG, đã không được làm rõ trong hơn 30 năm kể từ khi gen được phát hiện Do đó, trong nghiên cứu này, phân tích cấu trúc chức năng đã được thực hiện trên OPGG và paralogue (*4) OPGD của nó Điều này cho thấy OPGG và OPGD là β-1,2-glucanase mà thủy phân β-1,2-glucan Đáng chú ý, chúng có các trình tự và cấu trúc axit amin hoàn toàn khác nhau từ họ GH đã biết (*5), do đó, một loại enzyme mới (GH186) đã được thành lập Hơn nữa, chúng tôi thấy rằng OPGD có một cơ chế phản ứng chưa từng có cho gia đình GH

Những phát hiện mới về con đường sinh tổng hợp OPG được trình bày trong nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa về mặt học thuật, mà còn có thể gia đình GH mới được xác định ngày nay có thể trở thành mục tiêu để phát hiện thuốc dựa trên cấu trúc để ức chế khả năng gây bệnh của các mầm bệnh gram âm trong tương lai

Phát hiện nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 21 tháng 9 năm 2023, Tạp chí quốc tếĐược xuất bản trực tuyến về "Sinh học truyền thông"đã được thực hiện

Bối cảnh nghiên cứu

OPG được chia thành bốn nhóm dựa trên cấu trúc bộ xương của glucan Những gì nhóm nghiên cứu tập trung vào ngày hôm nay là một OPG tuyến tính, được cho là được tổng hợp bởi γ-proteobacteria (*6), bao gồm nhiều mầm bệnh quan trọng của người và thực vật Điều này chủ yếu được làm bằng β-1,2-glucan và có chuỗi bên do liên kết β-1,6-glucosid (Hình 1)

Glycosylation là một chất quan trọng có nhiều vai trò khác nhau cho các sinh vật sống Bởi vì cấu trúc của chuỗi đường rất đa dạng và phức tạp, nhiều enzyme có liên quan đến sự tổng hợp và suy thoái của chúng Do đó, toàn bộ phạm vi chức năng của chuỗi đường và quá trình tổng hợp và phân hủy vẫn chưa rõ ràng và nhiều phần chưa được khám phá Tuy nhiên, nhiều chuỗi đường là vật liệu ban đầu để phát triển là rất hiếm và hầu như không có sẵn, gây khó khăn cho việc tìm thấy các enzyme mới liên quan đến chuỗi đường Phó giáo sư Nakajima đã tiến hành nghiên cứu cho đến nay dựa trên động lực của "Tôi muốn trở thành người tiên phong trong việc khám phá những lĩnh vực khó khăn như vậy"

Chi tiết kết quả nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, OPGD và OPGG tái tổ hợp có nguồn gốc từ E coli được sản xuất và tinh chế bằng E coli Khi OPGD được áp dụng cho bất kỳ chất nền polysacarit nào, người ta thấy rằng quá trình thủy phân chỉ xảy ra trên polysacarit hiếm β-1,2-glucan, mà nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị độc lập, dẫn đến sự hình thành sopholooligosacarit (β-1,2-glucooligosacarit) Hơn nữa, phân tích động học cho thấy OPGD thể hiện tốc độ thủy phân đủ cao đối với β-1,2-glucan Những kết quả này chứng minh rằng chức năng thực sự của OPGD là β-1,2-glucanase, cho thấy rằng nó có thể điều chỉnh độ dài chuỗi trong quá trình sinh tổng hợp OPGS Mặt khác, mặc dù OPGG thể hiện hoạt động thủy phân tương tự, hiệu quả của nó thấp hơn đáng kể so với OPGD Nghiên cứu trong tương lai là cần thiết để xem liệu OPGG có chức năng thực sự ngoài β-1,2-glucanase hay không Bởi vì OPGD và OPGG không có trình tự axit amin tương tự với bất kỳ họ enzyme GH nào được biết đến, nên sự phân loại mới của các nhóm enzyme tương tự OPGD và OPGG (GH186) đã được thiết lập

Nếu một gia đình GH mới được phát hiện, việc làm sáng tỏ cơ chế phản ứng là rất quan trọng trong việc tìm hiểu các đặc điểm của cả gia đình Hơn nữa, vì gia đình GH186 nói riêng có liên quan đến khả năng gây bệnh của mầm bệnh, nếu các chất ức chế có thể được thiết kế dựa trên các cấu trúc ba chiều và cơ chế phản ứng, nó có thể dẫn đến việc tạo ra thuốc trừ sâu và dược phẩm Do đó, chúng tôi đã tiến hành "phân loại chung các loại phản ứng", bước đầu tiên trong việc làm sáng tỏ cơ chế phản ứng Các cơ chế phản ứng của họ GH có thể được chia thành "loại giữ anom (*7)" và "loại đảo ngược anom (*7)" Do đó, chúng tôi đã đo lường sự thay đổi trong xoay quang của dung dịch phản ứng trong quá trình phân hủy β-1,2-glucan bằng OPGD Kết quả cho thấy OPGD tuân theo cơ chế phản ứng đảo ngược anomer Dựa trên điều này, phân tích cấu trúc tinh thể tia X (*8) đã được thực hiện để làm rõ thêm cơ chế phản ứng

Phân tích cấu trúc tinh thể của OPGD
Đầu tiên, cấu trúc tổng thể của không có phối tử (không liên kết với chất nền) OPGD được xác định bằng phân tích cấu trúc tinh thể tia X Có hai khe hở lớn (khe hở) trong cấu trúc mờ hơn của OPGD, và nửa khe hở này được coi là một vị trí liên kết cơ chất Thật thú vị, chúng tôi thấy rằng cấu trúc của OPGD là một gia đình GH thực sự độc lập và độc đáo không thể hiện sự tương đồng về cấu trúc với bất kỳ gia đình GH hiện tại nào khác

Tiếp theo, để giải thích cơ chế thủy phân β-1,2-glucan dựa trên cấu trúc, cấu trúc phức tạp của Michaelis của OPGD (*9) được xác định bằng cách sử dụng đột biến D388N của OPGD Quan sát này về cấu trúc phức tạp Michaelis của OPGD cho phép chúng tôi đưa ra các giả thuyết về cơ chế phản ứng Để làm cho giả thuyết này đáng tin cậy hơn, phân tích enzyme đột biến đã được thực hiện và cơ chế phản ứng như trong Hình 2 đã được đề xuất Dư lượng xúc tác D388, nằm giữa các trang con (*10) -1 và +1, thúc đẩy sự xuống cấp của liên kết này bằng cách tặng một proton cho oxy của liên kết glycosid cơ chất Một dư lượng xúc tác khác D300 kích hoạt nước nucleophilic (WAT1) thông qua hai phân tử nước (WAT2, WAT3) và một nhóm hydroxyl chất nền (nhóm OH) Do đó, cơ chế phản ứng ước tính có một con đường chuyển proton dài chưa từng có ở các gia đình GH khác

Nhóm nghiên cứu cũng xem xét không chỉ một enzyme, mà còn cả các chức năng của các enzyme khác thuộc họ GH186 Các khu vực cấu trúc được đề xuất ổn định các con đường chuyển proton dài được tìm thấy rất đa dạng trong họ GH186 Trên thực tế, sự khác biệt trong khu vực này góp phần vào hoạt động thủy phân không hiệu quả của OPGG Cân nhắc điều này, Motouchi nói, "Có thể GH186 có một enzyme với cơ chế phản ứng khác với OPGD mà chúng ta đã phát hiện ra ngày nay Có lẽ họ GH186 đã đa dạng hóa thông qua sự tiến hóa phân tử để đạt được sự đa dạng về cấu trúc của OPGS" Gia đình GH mới được phát hiện là một loại enzyme liên quan đến việc tổng hợp trực tiếp OPGS Bằng cách có thể làm rõ các chức năng chi tiết của sản phẩm này, hy vọng rằng sẽ có thể phát triển khám phá thuốc dựa trên cấu trúc

*Nghiên cứu này được thực hiện với tài trợ từ Chương trình nghiên cứu thử thách của nhà nghiên cứu thế hệ tiếp theo (JPMJSP2151)

Thuật ngữ

*1 vi khuẩn gram âm
Một nhóm vi khuẩn không nhuộm bằng dung dịch nhuộm gram, được đặc trưng bởi được bao bọc trong hai màng tế bào, màng bên trong và bên ngoài, và có lớp peptidoglycan mỏng

*2 Vùng periplasmic
Một vùng vi khuẩn gram âm được kẹp giữa các màng bên trong và bên ngoài

*3 β-1,2-glucan
Một polysacarit trong đó glucose bị ràng buộc ở dạng hiếm gặp β-1,2 liên kết β-1,2-glucan với cấu trúc tròn tạo thành một phức hợp với một hợp chất kỵ nước, khiến nó có nhiều khả năng bị hòa tan trong nước, và dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho các lĩnh vực của ngành dược và tỷ lệ kèo nhà cái học thực phẩm, nhưng nghiên cứu về chức năng của nó vẫn chưa đủ

*4 Paralog
Các gen tương tự được tạo ra bởi sự trùng lặp gen 32,9% trình tự axit amin phù hợp giữa OPGG và OPGD từ E coli

*5 GH gia đình
Viết tắt cho họ glycoside hydrolase Nhóm này có sự tương đồng cao về trình tự axit amin giữa các enzyme thủy phân glycans

*6 Proteobacteria
Các sinh vật mô hình như Escherichia coli, cũng như các mầm bệnh như Pseudomonas aeruginosa vàDickeya Dadantii、Pseudomonas syringae

*7 Loại giữ anomer, loại chuyển số anomer
Trong số các phản ứng của enzyme liên kết glycosids thủy phân, những người có cùng loại chất nền dị thường và cùng loại sản phẩm dị thường được gọi là loại giữ anomer, và những loại có loại đảo ngược dị thường khác nhau được gọi là loại đảo ngược anomer Anomers được gọi là đề cập đến mối quan hệ giữa các nhà phân phối lập thể có nguồn gốc từ định hướng của các nhóm hydroxy xảy ra mới khi đường có cấu trúc tuần hoàn của vòng 5 thành viên (furanose) hoặc vòng 6 thành viên (pyranose)

*8 Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể tia X
Phương pháp xác định cấu trúc ba chiều của protein Một cấu trúc ba chiều có nguồn gốc từ dữ liệu thu được bằng cách chiếu xạ các tinh thể của protein đích với tia X

*9 cấu trúc phức tạp Michaelis
Hiển thị cấu trúc phức tạp chất nền enzyme ở trạng thái ngay trước khi phản ứng enzyme xảy ra

*10
Trang web của một enzyme liên kết với các trang web riêng lẻ tạo thành chất nền Đối với các enzyme liên quan đến sự tổng hợp và suy thoái của glycans, các số con được xác định theo thứ tự từ vị trí phân tách của chất nền: +1, +2, +3 đến phía đầu cuối và -1, -2, -3 theo hướng ngược lại

Thông tin bài viết

Tên tạp chí

Sinh học truyền thông

Tiêu đề giấy

Xác định các chức năng enzyme của protein sinh tổng hợp glucan periplasmic do OSMO điều chỉnh từEscherichia colitiết lộ một gia đình glycoside hydrolase mới

tác giả

Sei Motouchi, Kaito Kobayashi, Hiroyuki Nakai và Masahiro Nakajima

doi

101038/s42003-023-05336-6

Người thuyết trình

Kobayashi Kaito, Nghiên cứu viên đặc biệt AIST, AIST, Viện tỷ lệ kèo nhà cái học và công nghệ công nghiệp tiên tiến quốc gia

Giáo sư Nakai Hiroyuki, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, Đại học Niigata

Nakajima Masahiro Phó giáo sư, tỷ lệ kèo nhà cái tỷ lệ kèo nhà cái học Sinh học, tỷ lệ kèo nhà cái tỷ lệ kèo nhà cái học và Công nghệ, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo <Tác giả có trách nhiệm>

Thông tin liên hệ

[Yêu cầu nghiên cứu]

Phó giáo sư, tỷ lệ kèo nhà cái tỷ lệ kèo nhà cái học Sinh học, tỷ lệ kèo nhà cái tỷ lệ kèo nhà cái học và Công nghệ, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo
Nakajima Masahiro
Email: m-nakajima [@] rstusacjp

Phó giáo sư, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, tỷ lệ kèo nhà cái Nông nghiệp, Đại học Niigata
Nakai Hiroyuki
Email: Nakai [@] agrniigata-uacjp

[thắc mắc về tin tức và quan hệ công chúng]

Đại học tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo, tỷ lệ kèo nhà cái Kế hoạch doanh nghiệp, Phòng Quan hệ công chúng
Điện thoại: 03-5228-8107
Fax: 03-3260-5823
Email: koho [@] admintusacjp

Văn phòng Quan hệ công chúng của Đại học Niigata
Điện thoại: 025-262-7000
Email: pr-office [@] admniigata-uacjp

Vui lòng thay đổi [@] thành & Commat ;