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近日，天津大學(xué)藥學(xué)院張雁教授團隊聯(lián)合藥學(xué)院尉遲之光、伊利諾伊大學(xué)香檳分校Huimin Zhao教授團隊，在體外構(gòu)建了URC1的活性，證實了其底物為尿嘧啶核苷三磷酸（UTP），并首次解析了該家族酶的完整蛋白結(jié)構(gòu)（圖3A），提出URC1活性中心的一個關(guān)鍵賴氨酸參與催化UTP水解并與其形成共價鍵，利用UTP水解釋放的能量，使底物的嘧啶環(huán)與酶Zn2+離子活性中心精準配位，再通過類似Zn2+蛋白酶的機制，在尿嘧啶C6和C4上連續(xù)兩次親核攻擊催化嘧啶水解開環(huán)的新穎酶催化機制（圖2B）。該合作團隊進一步通過定點突變結(jié)合偶聯(lián)酶顏色反應(yīng)，中間產(chǎn)物的質(zhì)譜檢測等手段證實催化機理。論文近日在ACS Catalysis線上發(fā)表。

嘧啶作為核酸重要組成，是自然環(huán)境中含量豐富的有機化合物，因而被微生物用作氮、碳以及能量源。科學(xué)家研究微生物的嘧啶降解通路已經(jīng)有半個多世紀的歷史。

因為嘧啶具有芳香性，其開環(huán)的鍵斷裂反應(yīng)較為困難。微生物利用了多種方法來解決這一問題，已知的嘧啶降解通路有三條：第一，嘧啶的還原降解途徑通過二氫嘧啶脫氫酶催化尿嘧啶還原反應(yīng)來降低嘧啶環(huán)的芳香性；第二，嘧啶的氧化降解途徑通過尿嘧啶氧化酶催化尿嘧啶氧化來降低嘧啶環(huán)的芳香性；第三，通過含黃素過氧化氫的酶來形成中間物催化開環(huán)反應(yīng)（圖1）。

圖1.已知的嘧啶降解三條途徑與本次探明的第四條嘧啶降解途徑。A)還原降解途徑；B)氧化降解途徑；C) RUT降解途徑；D) URC途徑。紅色標記為關(guān)鍵酶催化嘧啶環(huán)開環(huán)的URC1酶

瑞典隆德大學(xué)法國科學(xué)家Jure Piskur在2008年提出在原核和真核生物中都存在第四條嘧啶降解途徑，這一途徑依賴URC1酶催化嘧啶的開環(huán)，并認為底物是尿嘧啶核苷單磷酸（UMP），但未能實現(xiàn)該關(guān)鍵酶的體外活性檢測，催化機理不明。2014年P(guān)iskur教授不幸去世，該項重要工作中斷。

圖2.最近發(fā)現(xiàn)的兩條微生物嘧啶還原降解通路的延伸

藥學(xué)院張雁教授團隊長期研究微生物的初級代謝，包括氨基酸、糖和核酸的初級代謝。此前張雁教授團隊發(fā)現(xiàn)了兩條嘧啶還原降解通路的延伸：不同微生物利用這兩條延伸通路繼續(xù)降解嘧啶還原通路的“終產(chǎn)物”β-丙氨酸，分別獲得氮源以及碳和能量源（圖2）。

圖3. URC1酶與底物復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)以及催化機理。A)酶與底物復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)；B)可能的催化機理

藥學(xué)院張雁教授課題組碩士生張海彬以及新加坡A*Star Huimin Zhao課題組的Yifeng Wei博士為論文的共同第一作者。