王 瑞,楊 君,楊 青(大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116024)

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β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)與催化性質(zhì)研究進(jìn)展

王 瑞,楊 君*,楊 青
(大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116024)

β-1,3-葡聚糖酶廣泛存在于細(xì)菌、真菌、植物和無脊椎動物中,因來源的差異,β-1,3葡聚糖酶的生理功能多樣,如參與植物生長發(fā)育、提高或誘導(dǎo)抗病性、提供菌體營養(yǎng)、調(diào)節(jié)真菌細(xì)胞壁穩(wěn)定性和剛性、參與病毒釋放和入侵等。酶的結(jié)構(gòu)研究是探索酶催化反應(yīng)機(jī)理、挖掘酶催化特性以及酶理性設(shè)計(jì)改造的基礎(chǔ)。本文對晶體結(jié)構(gòu)研究最充分的GH16家族細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)特征及催化機(jī)理進(jìn)行綜述,并通過與GH17家族植物來源β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)比較,揭示細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的作用機(jī)制,為進(jìn)一步改造和利用該酶,實(shí)現(xiàn)其在植物保護(hù)、食品和制藥等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要參考。

β-1,3-葡聚糖酶,晶體結(jié)構(gòu),催化機(jī)制,底物特異性

β-1,3-葡聚糖酶是一類能夠水解以β-1,3-糖苷鍵連接的葡聚糖的酶系,廣泛存在于細(xì)菌、真菌、植物和無脊椎動物中。自發(fā)現(xiàn)自然界生物體內(nèi)存在β-1,3-葡聚糖酶以來,人們長期不懈地對其進(jìn)行研究,研究內(nèi)容涵蓋β-1,3-葡聚糖酶的分離純化、生理生化特性、在生物體內(nèi)的作用、編碼β-1,3-葡聚糖酶的基因等。目前,對β-1,3-葡聚糖酶的應(yīng)用研究多集中于工業(yè)廢料的綜合利用、精益啤酒和葡萄酒釀造工程中酒的過濾工藝且抑制潛在真菌的污染[1]、飼料添加劑[2-3]、活性多糖的改性增溶[4-5]、果蔬的綠色保鮮[6]、植物病害防治[7]與真菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)分析[8]等。

目前為止,CAZY數(shù)據(jù)庫共收集8個(gè)來源于細(xì)菌和4個(gè)來源于植物的β-1,3-葡聚糖酶晶體結(jié)構(gòu)(http://www.cazy.org/)。這兩個(gè)來源不同的酶能夠催化相同的底物,但二者無論在氨基酸序列上還是在三維空間結(jié)構(gòu)上都沒有相似性。植物β-1,3-葡聚糖酶屬于糖苷水解酶17家族,擁有一個(gè)(β/a)8桶狀結(jié)構(gòu),而細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶屬于糖苷水解酶16家族,其三級結(jié)構(gòu)為典型的“β-jelly-roll”結(jié)構(gòu),表面形成凹槽結(jié)構(gòu),易于和底物結(jié)合。此外,由于大部分細(xì)菌本身不含有β-1,3-葡聚糖,β-1,3-葡聚糖酶的主要功能是分解周圍環(huán)境中的葡聚糖,起到營養(yǎng)作用[9],因而細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶可能具有更為廣泛的底物譜。因此,本文對GH16家族細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)特征及催化機(jī)理進(jìn)行綜述,并通過與GH17家族植物來源β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)比較,理解細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的作用機(jī)制,為進(jìn)一步改造和利用該酶,實(shí)現(xiàn)其在食品、制藥和植保等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要參考。

1 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)特征和水解機(jī)制

1.1 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的序列特征

目前,人們已經(jīng)分離得到了許多細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶,這些物種包括環(huán)狀芽孢桿菌(Bacilluscirculans)[10]、解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)[11]、類芽孢桿菌(Paenibacillussp.)[12]、鹽屋鏈霉菌(Streptomycessioyaensis)[13]以及諾卡土壤菌F96(Nocardiopsissp. F96)[14]等。以海棲熱袍菌MSB8(ThermotogamaritimaMSB8)β-1,3-葡聚糖酶催化域的結(jié)構(gòu)(3AZX)[15]為模板,利用MEGA5.1與來源于嗜堿性的諾卡土壤菌F96(alkaliphilicNocardiopsissp. strain F96)的內(nèi)切β-1,3-葡聚糖酶(2HYK)[16]、來源于嗜熱古細(xì)菌(Pyrococcusfuriosus)的內(nèi)切β-1,3-葡聚糖酶(2VY0)、來源于鹽屋鏈霉菌(Streptomycessioyaensis)的內(nèi)切β-1,3-葡聚糖酶(3DGT)[13]、來源于海洋紅嗜熱鹽菌(Rhodothermusmarinus)的β-1,3-葡聚糖酶(3ILN)、來源于結(jié)合分支桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)的β-1,3-葡聚糖酶(4WZF)[17]、來源于海洋細(xì)菌Zobelliagalactanivorans的β-1,3-葡聚糖酶ZgLamA(4BOW)[18]和ZgLamC(4CRQ)[19]以及來源于熱袍菌Thermotogapetrophila的內(nèi)切β-1,3-葡聚糖酶(4DFS)[20]進(jìn)行序列比對,并將結(jié)果經(jīng)ESPript 3.0修飾?；诮Y(jié)構(gòu)的序列分析表明,這些來源于不同細(xì)菌的酶具有相似的二級結(jié)構(gòu),其中包括β-鏈和α螺旋的數(shù)目和長度。以ThermotogamaritimaMSB8海帶多糖酶(Laminarinase)為例,該酶催化域的二級結(jié)構(gòu)包含18個(gè)β-鏈(形成2個(gè)扭曲的β折疊片)、2個(gè)短α-螺旋以及2個(gè)310螺旋。序列對比的結(jié)果表明,除了與同樣來源于熱袍菌屬的Thermotogapetrophilaendo-β-1,3-glucanase的序列一致性達(dá)到99%之外,TmLamCD與其它蛋白之間的序列一致性只有28%～50%左右(圖1)。盡管GH16家族β-1,3-葡聚糖酶彼此之間的同源性不高,但這些酶的折疊方式和某些氨基酸殘基卻高度保守,尤其是該家族特征性的EIDIXE序列在酶的催化作用中發(fā)揮著非常重要的作用,其中靠前的Glu通常在催化過程中作為親核試劑,而靠后的Glu則是催化酸/堿。

1.2 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的整體結(jié)構(gòu)

為了表現(xiàn)GH16家族細(xì)菌來源的β-1,3-葡聚糖酶之間結(jié)構(gòu)的異同,本文將PDB數(shù)據(jù)庫中已知結(jié)構(gòu)的酶(包括2HYK、3AZX、3DGT、3ILN、4BOW、4CRQ、4DFS以及4WZF)催化域部分重疊,得到圖2(A)的結(jié)果。細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶富含β-折疊,這些鏈彎曲折疊成兩個(gè)面對面反向平行的片層結(jié)構(gòu),形成典型的類似三明治的“β-jelly roll”結(jié)構(gòu),并呈現(xiàn)出一定的彎曲以形成一個(gè)供底物結(jié)合的凹槽(圖2B)。催化域結(jié)構(gòu)非常保守,其中兩個(gè)反向平行的折疊片的結(jié)構(gòu)尤為保守,每條β-鏈的長度和彎曲走向都基本保持一致。同時(shí),在已知結(jié)構(gòu)的β-1,3-葡聚糖酶中都發(fā)現(xiàn)一個(gè)與酶結(jié)合的Ca2+,這一現(xiàn)象在GH16家族糖苷水解酶中也是非常保守的[21]。該鈣離子在細(xì)菌葡聚糖酶中可能起到提升熱穩(wěn)定性的作用[22]。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu),鈣離子位于酶催化凹槽的背面,而底物則與酶沿著凹槽相互結(jié)合,二者的空間距離較遠(yuǎn),說明鈣離子對酶的催化作用沒有直接影響[15]。鈣離子的結(jié)合位點(diǎn)也非常一致,都是由兩個(gè)氨基酸序列相距較近的Glu和Gly以及一個(gè)距離較遠(yuǎn)的Asp的骨架羰基氧和Asp的羰基側(cè)鏈氧與鈣離子相互作用,從而使鈣離子穩(wěn)定結(jié)合。

圖2 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的整體結(jié)構(gòu)[13,15-20,23-24]Fig.2 The overall structure of bacterial β-1,3-glucanase[13,15-20,23-24]注:A. GH16家族已知晶體結(jié)構(gòu)的所有細(xì)菌 β-1,3-葡聚糖酶三維結(jié)構(gòu)疊加對比; B.來源于Zobellia galactanivorans的β-1,3-葡聚糖酶 ZgLamA與一個(gè)海帶四糖的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。

1.3 催化域的活性位點(diǎn)

細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的活性位點(diǎn)包括作為親核試劑、催化酸/堿的催化關(guān)鍵殘基和一系列為底物結(jié)合和穩(wěn)定過渡態(tài)提供結(jié)構(gòu)和功能支撐的輔助殘基。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的催化活性依賴于位于一個(gè)高度保守單元(EXDXXE)的2個(gè)谷氨酸殘基和1個(gè)天冬氨酸殘基[25]。Wen-Yih Jeng等[15]用環(huán)狀的己糖類似物葡糖酸內(nèi)脂與TmLamCD共結(jié)晶并得到復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)揭示在催化位點(diǎn)周圍的氨基酸殘基中,Asn-45、Glu-132、Glu-137和His-151與葡萄糖酸內(nèi)酯形成了直接的氫鍵,Oδ2原子與His-151的Nε2形成氫鍵的Asp-134也參與了穩(wěn)定配體,同時(shí)Trp-116殘基和Ala114殘基與底物形成了疏水作用力。為了模擬長鏈底物在TmLamCD中的位置,他們又用一種具有一個(gè)極性頭部和16個(gè)C尾部的表面活性劑分子CTAB與酶進(jìn)行了共結(jié)晶,發(fā)現(xiàn)Ile-40、Trp-43、Asn-45、Arg-85、Ala-114、Trp-116、Trp-127、Glu-132和Glu-137等殘基都與CTAB分子形成了疏水作用。

圖1 GH16家族β-1,3-葡聚糖酶以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的序列對比Fig.1 Structure-based sequence alignment of family GH16 β-1,3-glucanase

1.4 水解機(jī)制

糖苷水解酶的水解機(jī)制主要分為反向水解機(jī)制(inverting mechanisms)和保留水解機(jī)制(retaining mechanisms),而GH16家族的糖苷水解酶所采取的水解機(jī)制是保留水解機(jī)制[26]。該家族酶的整個(gè)催化過程分為兩個(gè)步驟。首先,Glu-132作為親核試劑攻擊糖環(huán)上的C1原子從而使兩個(gè)糖環(huán)之間的β-1,3-糖苷鍵斷裂。然后Glu-137作為催化酸接受電子,進(jìn)而將電子轉(zhuǎn)移給鄰近的水分子,接著該水分子攻擊之前β位置的C1原子,最終Glu-132和產(chǎn)物得以釋放(圖3)。

2 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的底物特異性

雖然同屬一個(gè)糖苷水解酶家族,且結(jié)構(gòu)相似,但GH16家族β-1,3-葡聚糖酶相互之間具有不同的底物特異性。根據(jù)Aurore Labourel等人的研究,來源于海洋細(xì)菌Zobelliagalactanivorans的β-1,3-葡聚糖酶ZgLamA對底物β-1,3-葡聚糖海帶多糖(laminarin)的催化效率要比對混合鏈葡聚糖MLG(β-1,3-1,4-葡聚糖)高將近22倍左右。對比ZgLamA與兩種底物的復(fù)合物晶體發(fā)現(xiàn),酶與兩種底物的相互作用在底物結(jié)合位點(diǎn)-1和-2位置非常相似(圖4A和B),兩個(gè)糖殘基分別與酶的Glu-274、Trp-238、Asp-271、Glu-250、Arg-213、Asn-171和Ser-269等氨基酸殘基形成氫鍵,同時(shí)還與Trp-238、Trp-242、Trp-264以及His-170等氨基酸殘基形成疏水作用。因?yàn)镸LG中β-1,4-糖苷鍵的存在,使得其在底物結(jié)合位點(diǎn)-3位置的糖殘基相較于海帶六塘發(fā)生了180°的翻轉(zhuǎn),最終導(dǎo)致Glu-263代替Trp-264與糖殘基形成氫鍵。

圖3 β-1,3-葡聚糖酶的保留催化機(jī)制[26]Fig.3 The retaining mechanisms of β-1,3-glucanase[26]

圖4 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的底物特異性[17-19]Fig.4 The substrate specificity of bacterial β-1,3-glucanases[17-19]注:A和B,ZgLamA催化凹槽分別與海帶四糖(A)和G3G4G(B)的相互作用;C,ZgLamA與海帶四糖復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的 卡通模型和疏水表面(圖中深灰色部位為ZgLamA特有的環(huán)結(jié)構(gòu));D,ZgLamC晶體結(jié)構(gòu)的 卡通模型和疏水表面;E,Rv0315晶體結(jié)構(gòu)的卡通模型和疏水表面。

從晶體結(jié)構(gòu)圖中可以看出(圖4A和B),海帶己糖由于β-1,3-糖苷鍵的不斷延伸使其在催化凹槽中呈現(xiàn)出螺旋型構(gòu)象,而混合鏈的G3G4G則由于β-1,4-糖苷鍵的出現(xiàn)使其表現(xiàn)出直線型構(gòu)象。通過二級序列對比發(fā)現(xiàn),ZgLamA擁有一個(gè)由17個(gè)氨基酸(從Ala-246到Ala-262)組成的長環(huán)(loop)(圖4C),而這個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)在其他同家族已知結(jié)構(gòu)的β-1,3-葡聚糖酶中是不存在的。該環(huán)結(jié)構(gòu)存在于催化凹槽中,堵塞了酶的負(fù)結(jié)合位點(diǎn)從而使ZgLamA的催化中心呈現(xiàn)出彎曲凹槽的構(gòu)象(圖4C)。這種構(gòu)象非常有利于酶結(jié)合具有螺旋型構(gòu)象的β-1,3-葡聚糖,同時(shí)妨礙直線型的混合鏈葡聚糖的結(jié)合。這也解釋了ZgLamA對β-1,3-葡聚糖的催化效率遠(yuǎn)高于對MLG的催化效率的原因。

隨后,Aurore Labourel等人得到了同樣來源于海洋細(xì)菌Zobelliagalactanivorans且與ZgLamA同源性為37%的另一個(gè)GH16家族β-1,3-葡聚糖酶ZgLamC的晶體結(jié)構(gòu)。ZgLamC同樣既可以水解β-1,3-葡聚糖海帶多糖又可以水解混合鏈葡聚糖MLG,但與ZgLamA不同的是,它對海帶多糖的催化效率比對MLG的催化效率高3倍。對比二者總體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),因?yàn)槿鄙賈gLamA特有的環(huán)結(jié)構(gòu),ZgLamC的催化中心呈現(xiàn)出直線型的凹槽(圖4D)。Aurore Labourel等人對比了這兩種酶與底物復(fù)合物晶體的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)底物結(jié)合位點(diǎn)-1和-2位置的糖殘基與酶的相互作用基本相同,相關(guān)氨基酸殘基也很保守。但是-3位置因?yàn)闆]有環(huán)的堵塞,從而使ZgLamC具有一個(gè)相對大的空間來結(jié)合海帶多糖和MLG兩種底物。這解釋了ZgLamC對兩種底物催化效率相差不大的原因。

Wanyu Dong等人[17]得到了結(jié)核分支桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)來源的β-1,3-葡聚糖酶Rv0315的晶體結(jié)構(gòu)。與前兩個(gè)酶不同的是,Rv0315不管在何種pH條件下,都不具備水解海帶多糖的能力,即使增加酶濃度也檢測不到任何活力。為了找到Rv0315沒有水解活力的原因,Wanyu Dong等人對比了其與ZgLamA結(jié)構(gòu)的差異。相比之下,兩個(gè)酶的總體結(jié)構(gòu)是非常相似的,但Rv0315具有一個(gè)更大的催化凹槽(圖4E),進(jìn)一步對比二者與底物復(fù)合物晶體之間的差異,發(fā)現(xiàn)在底物結(jié)合位點(diǎn)-1處,Rv0315和ZgLamA與底物的結(jié)合非常相似,但Rv0315缺失了所有在ZgLamA中與-2和-3位置的糖殘基相互作用的氨基酸殘基,例如Asn-171、Glu-250、Arg-213、Trp-264和His-170等,并因此導(dǎo)致Rv0315的催化凹槽的尺寸明顯偏大,這可能是Rv0315沒有明顯催化活性的原因。

綜上所述,雖然GH16家族β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)總體上非常相似,但是酶與底物結(jié)合殘基的差異,仍會影響酶對不同類型底物的選擇性和催化活性,這使得細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的底物譜具有多樣性。

3 細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶與植物β-1,3-葡聚糖酶結(jié)構(gòu)對比

植物β-1,3-葡聚糖酶屬于糖苷水解酶17家族,其結(jié)構(gòu)特征是擁有一個(gè)(β/α)8TIM桶狀結(jié)構(gòu)。迄今為止,人們已經(jīng)得到4個(gè)植物β-1,3-葡聚糖酶的晶體結(jié)構(gòu)(http://www.cazy.org/)。序列對比分析結(jié)果表明,桶狀結(jié)構(gòu)核心區(qū)域的β-鏈?zhǔn)歉叨缺Ｊ氐?主要的差異都發(fā)生在蛋白外圍的環(huán)結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)處,而且都是由于序列的插入或者刪除引起的。2013年,Agnieszka Wojtkowiak等人獲得了馬鈴薯內(nèi)切-β-1,3-葡聚糖酶(GLUB20-2)突變體E259A與一個(gè)海帶六糖共結(jié)晶的晶體結(jié)構(gòu),這是人們首個(gè)得到的GH17家族糖苷水解酶與寡糖分子的復(fù)合晶體結(jié)構(gòu)。雖然將其活性位點(diǎn)突變,但GLUB20-2E259A仍具有剩余活性,質(zhì)譜分析揭示該突變體用兩種方式切割了海帶六糖,分別產(chǎn)生了一個(gè)海帶三糖分子和一個(gè)海帶四糖分子[27](圖5A、B)。

結(jié)構(gòu)顯示三糖分子被固定在酶的底物結(jié)合位點(diǎn)-1、-2和-3處,具有較高的結(jié)合親和力,其非還原端位于催化凹槽的遠(yuǎn)端。其中,底物兩個(gè)糖分子與-1和-2的結(jié)合高度保守,且與參與水解活性的關(guān)鍵殘基Asn117、Glu310、Lys313和Glu319有相互作用,共形成8個(gè)直接的氫鍵和2個(gè)水分子介導(dǎo)的氫鍵[28]。此外,Tyr58的芳香環(huán)與-2位的糖形成疏水作用,而Phe305和Phe322的芳香環(huán)則與-1位的糖相互作用。底物結(jié)合位點(diǎn)-3處的糖與Gln82形成兩個(gè)直接的氫鍵及水分子介導(dǎo)的氫鍵,以穩(wěn)固三糖分子與酶的結(jié)合。除可結(jié)合三糖分子外,酶的催化凹槽也可容納一個(gè)海帶四糖,但由于在+1和+2結(jié)合位點(diǎn)底物與酶的低親和力導(dǎo)致電子云混亂,該研究未能解析出對應(yīng)的葡萄糖分子(如圖5A、B)。盡管如此,+1位置的糖很可能會與Phe204形成疏水相互作用,而+3和+4底物結(jié)合位點(diǎn)處的糖可與Thr166形成直接的氫鍵。

GLUB20-2催化凹槽形成兩端開口中間彎曲的峽谷型幾何構(gòu)象。該構(gòu)象排除了任何直線型β-1,4-葡聚糖在-3到+4底物結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合的可能性,而針對β-1,6-糖苷鍵,該酶也僅可能提供+1和+2結(jié)合位點(diǎn)。這也解釋了植物β-1,3-葡聚糖酶主要水解由β-1,3-糖苷鍵相連的葡聚糖分子[29],而對混合鏈的β-1,3-1,4-葡聚糖[30]和具有分支的β-1,3-1,6-葡聚糖[31]僅有非常有限的催化活性。

植物β-1,3-葡聚糖酶與細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶采用相同的水解機(jī)制(retaining mechanism)來催化以β-1,3-糖苷鍵相連的葡聚糖分子的水解。二者在催化過程中作為質(zhì)子供體和親核試劑的都是兩個(gè)嚴(yán)格保守的谷氨酸殘基。但是,二者在序列和蛋白結(jié)構(gòu)上有著巨大的差異。序列比對發(fā)現(xiàn),植物β-1,3-葡聚糖酶中,參與催化的兩個(gè)谷氨酸殘基分別位于相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)β-鏈的末端,而細(xì)菌酶中相應(yīng)的兩個(gè)谷氨酸殘基則處于同一條β-鏈上,彼此之間只有5個(gè)氨基酸殘基的距離。以底物分子為基準(zhǔn),將馬鈴薯β-1,3-葡聚糖酶(StLam)與底物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)和海洋細(xì)菌Zobelliagalactanivoransβ-1,3-葡聚糖酶(ZgLamA)與底物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對接(圖5C)發(fā)現(xiàn),兩個(gè)酶重合部分較少,植物酶與細(xì)菌酶的催化凹槽差異較大且底物在催化凹槽中的結(jié)合方向也不同(圖4和圖5)。植物酶體積要大于細(xì)菌酶,催化凹槽更長且具有獨(dú)特的幾何構(gòu)象,而細(xì)菌酶的催化凹槽中底物結(jié)合位點(diǎn)少于植物酶,并且絕大多數(shù)呈現(xiàn)兩端開口的直線型構(gòu)象,這使得植物酶相比于細(xì)菌酶具有更突出的底物專一性。

圖5 植物β-1,3-葡聚糖酶的結(jié)構(gòu)及其與細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶結(jié)構(gòu)的對比[18]Fig.5 Three-dimensional structure of plant β-1,3-glucanase and structural comparison of plant β-1,3-glucanase and bacterial β-1,3-glucanase[18]注:A.StLam晶體結(jié)構(gòu)的卡通模型;B.StLam與底物復(fù)合物晶體的疏水表面模型; C.ZgLamA和StLam分別與底物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)以底物分子為基準(zhǔn)對接(圖中ZgLamA為白色,StLam為黑色)。

4 展望

酶結(jié)構(gòu)與功能的研究是探索酶催化反應(yīng)機(jī)理、挖掘酶催化特性以及酶理性設(shè)計(jì)改造的重要基礎(chǔ)。β-1,3-葡聚糖酶因其特異性水解β-1,3-葡聚糖的能力,在食品工業(yè)和植物保護(hù)研究中受到廣泛關(guān)注。但一些新型β-1,3-葡聚糖酶(如GH64、GH81、GH128及GH132家族)因缺乏晶體結(jié)構(gòu)信息,其催化機(jī)制和底物選擇性的分子機(jī)制尚不清楚,限制了酶的工程化改造和工業(yè)化應(yīng)用。本研究通過對細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶結(jié)構(gòu)和催化性質(zhì)的總結(jié)和分析,有助于理解該酶所呈現(xiàn)的底物選擇和催化活性多樣性的分子基礎(chǔ),使我們可以基于比較結(jié)構(gòu)生物化學(xué),調(diào)控或改造β-1,3-葡聚糖酶的性質(zhì),以實(shí)現(xiàn)其在水果保鮮、植物抗病及活性小分子多糖制備等多領(lǐng)域的應(yīng)用。

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Progress in the structure and catalytic mechanism ofβ-1,3-glucanases

WANG Rui,YANG Jun*,YANG Qing

(School of Life Science and Biotechnology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

β-1,3-glucanases are widespread throughout bacteria,fungi,plants and invertebrates. They play various physiological roles due to the diversity of origin,such as participating in plant growth and development,defending against pathogens in plant,providing nutrients for bacteria,regulating fungal cell wall stability and rigidity,and involving in the release and invasion of virus. The research of enzyme structure is the basis to explore the mechanism of enzyme catalyzed reaction,to characterize enzyme catalytic properties and to design and transform the enzyme. The structure and catalytic mechanism of GH16 bacterialβ-1,3-glucanase were thoroughly reviewed. By comparing with the structure of GH17 plantβ-1,3-glucanases,this study was attempted to reveal how bacterialβ-1,3-glucanases hydrolyze polysaccharide,and provides an important reference for further modification and utilization of bacterialβ-1,3-glucanases in plant protection,food and pharmaceutical fields.

β-1,3-glucanases;crystal structure;catalytic mechanism;substrate specificity

2017-01-05

王瑞(1991-)，男，碩士研究生，研究方向:糖苷水解酶的結(jié)構(gòu)功能研究,E-mail：raywangbio@gmail.com。

*通訊作者:楊君(1972-)，女，博士，副教授，研究方向:蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究,E-mail：junyang@dlut.edu.cn。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0200502)；遼寧省自然科學(xué)基金(2015020782)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)14-0314-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.062