上科大与合作者科研成果荣登Nature——揭示植物和真菌的乙酰羟基酸合成酶结构

7月8日晚上11时，上海科技大学免疫化学研究所特聘教授饶子和院士与昆士兰大学教授兼免化所访问教授Luke Guddat的联合科研团队在国际顶尖学术期刊《Nature》发表题为“Structures of fungal and plant acetohydroxyacid synthases”的研究论文。该项工作在国际上首次成功解析了植物和真菌的乙酰羟基酸合成酶的完整三维结构。乙酰羟基酸合成酶（AHAS）是目前世界范围广泛用于水稻、小麦和大麦作物的50多种商用除草剂的靶标，也是针对人类结核病致病菌（结核分枝杆菌）和侵袭性真菌病原体（白色念珠菌等）的新靶标。与抗生素一样，除草剂（包括那些作用方式是AHAS的除草剂）的抗药性问题逐渐产生并引发广泛关注。因此，阐明这一重要催化酶的作用机制迫在眉睫。

乙酰羟基酸合成酶（AHAS；E.C.2.2.1.6）是支链氨基酸（BCAAs）生物合成通路中的第一个酶，催化生成L-缬氨酸、L-亮氨酸和L-异亮氨酸。乙酰羟基酸合成酶由两个亚基组成：（i）一个含有FAD和ThDP的催化亚基，（ii）一个可以增强或降低催化亚基活性的调节亚基。调节亚基包含酶的反馈抑制剂——支链氨基酸的结合位点。调节亚基详细作用机制的研究始于20世纪60年代，但至今仍是一个未解之谜。

在本研究中，研究团队解析的酿酒酵母和拟南芥的乙酰羟基酸合成酶复合物结构显示，调节亚基形成一个核心，催化亚基二聚体附着于其上，形成一个“马耳他十字”的形状（图1）。这些结构揭示了催化亚基和调节亚基是如何通过相互作用为支链氨基酸的激活和反馈抑制提供一条通路，以及当它们结合在一起时如何增强活性。本研究还发现，结核分枝杆菌的乙酰羟基酸合成酶也存在类似的高度复杂的结构，从而证明了乙酰羟基酸合成酶的整体结构在生物的不同界中都是保守的。

这项成果是研究团队超过15年研究工作的结晶。研究团队在这个过程中克服了许多困难，包括靶蛋白的表达，复合物的纯化和稳定，以及X射线晶体学和低温电子显微镜样品制备的优化等。

本研究成果是乙酰羟基酸合成酶研究领域的重要里程碑。目前，研究团队正充分利用这一结构和功能研究的成果，积极开发新一代的除草剂和抗菌剂。

昆士兰大学的Thierry Lonhienne博士和Yu Shang Low是文章的第一作者，上科大免化所的访问学生高岩和王权教授是本文的共同作者。本研究还得到了上海科技大学生物电镜平台、南方科技大学（深圳）低温电镜设备中心，以及昆士兰大学显微镜和显微分析中心的技术支持。

这是上科大免疫化学研究所今年继1月15日的Nature文章、4月9日的Nature文章、4月10日的Science文章、4月22日的Science文章、4月23日的Science文章和5月22日的Cell文章后，发表的第7篇高水平文章。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2514-3

图1：ScAHAS和AtAHAS复合物的结构

图2：结合位点的相互作用，以及AtRSU中L-缬氨酸以及L-缬氨酸结合后的冷冻电镜图。