Nature | 古细菌膜脂如何合成——四醚脂合成酶的结构解析

古细菌与细菌、真核生物并列为自然界的三大生命域，大多数古细菌可以合成名为甘油二烷基甘油四醚的脂质（GDGT，图1a），GDGT稳定的结构保持细胞膜的稳定，从而使其可以忍受比如高温、高盐、高或低pH等极端环境【1】。与真核生物和细菌的细胞膜上直链脂肪酸不同，古细菌脂质基于异戊二烯而合成，形成饱和的、分支的植烷链（phytanyl chain），植烷链通过醚键附着在1-磷酸甘油的骨架上形成古细菌醇（图1b）【2】。在诸如詹氏甲烷球菌的嗜极端古细菌中，植烷链通过碳-碳键将古细菌醇的尾巴连接形成四十碳的二植烷链（biphytanyl chain），存在于GDGT（图1a，两个古细菌醇间形成）和大环古细菌醇（图1c，一个古细菌醇内形成）中【3】。很多研究说明环境因子会影响二植烷链的合成，因此GDGT被认为是一种理想的分子化石，用来研究地质的温度变化【4】。但是合成二植烷链的基因仍然未被鉴定出来，所以无法根据基因来确定可以产生GDGT的生物，从而限制了GDGT作为标志物来研究的效率。  

图1 基于异戊二烯的古细菌脂质的结构式

2022年7月26日，宾夕法尼亚州立大学的Squire J. Booker的课题组在nature上发表了题为Discovery, structure, and mechanism of a tetraether lipid synthase的文章，发现詹氏甲烷球菌的mj0619所编码的自由基S-腺苷甲硫氨酸（Radical SAM，RS）酶可以形成GDGT和大环古细菌醇中的二植烷链。通过X射线晶体衍射结构解析、质谱分析、体外功能实验发现了sp3碳-sp3碳键形成是发生在完全饱和的古细菌脂质上的，同时也发现了中间产物与铁硫中心形成碳-硫键。这项研究不仅建立了四醚脂质的生物合成路线，同时也为基于GDGT的古气候学研究提供了重要的参考价值。

通过将植烷链末端的甲基碳偶联需要基于自由基的反应，而自然界中大部分的酶都需要氧气，而产生的GDGT的生物几乎都是严格厌氧类型的。RS酶可以切除SAM产生甲硫氨酸和5′脱氧腺苷自由基（5′-dA•），5′-dA•可以作为强氧化剂，通过夺氢反应来与惰性碳反应【5】。作者通过将mj0619所编码的RS酶与5′脱氧腺苷（5′-dAH）和甲硫氨酸结晶，通过X射线衍射解析到了2Å的分辨率的分辨率，在结构中，可以看见这个酶含有三个铁硫中心和一个单核氧化还原蛋白类型的铁离子，这四个组分都分别位于不同的结构域（图2a）。这个复合物中也可以观察到所孵育的5′-dAH和甲硫氨酸，可以模拟5′-dA•的中间状态，可以发现其指向了一个长的疏水底物结合口袋，这个口袋最终缩短为5.8Å，并截止于5′-dAH的5′碳原子上（图2b）。在疏水底物结合口袋中可以看见两个古细菌脂质，分别为古细菌醇（L1P）和甘油古细菌醇（L4P）（图2c）。这些结构信息说明这个RS酶可能是专一性催化GDGT中二植烷链形成的GDGT合成酶（GDGT/MAS）。

图2 GDGT合成酶与辅因子、古细菌脂质底物结合的结构

随后作者通过一系列质谱分析和体外功能实验，分析并得出二植烷链的合成反应，古细菌醇尾巴处的甲基碳上的氢可以被RS酶所产生的5′-dA•夺走（夺氢反应），随后再与铁硫中心的硫形成硫-碳键，另外一个底物尾巴上的氢同样被夺走，所产生的自由基进攻铁硫中心的硫-碳键，形成二植烷链（图3a）。因此，单个古细菌醇可以通过分子内形成二植烷链产生大环古细菌醇（图3b），两个古细菌醇可以通过分子间形成二植烷链产生GDGT（两步反应，先产生GTGT，后产生GDGT，图3c）

图3 二植烷链合成的反应过程

综上，作者通过结构生物学、质谱分析以及功能验证，发现了古细菌中产生四醚脂的酶，验证了其催化反应的过程以及它们的生理功能，首次发现了自然中sp3碳-sp3碳键在惰性碳中心形成的机制。另外GDGT合成酶基因的发现也会有助于古气候学的研究，帮助去了解各种时期气温的变化。

参考文献

【1】Jain, S., Caforio, A. & Driessen, A. J. Biosynthesis of archaeal membrane ether lipids. Front Microbiol 5, 641, doi:10.3389/fmicb.2014.00641 (2014).

【2】Caforio, A. & Driessen, A. J. M. Archaeal phospholipids: Structural properties and biosynthesis. Biochim Biophys Acta Mol Cell Biol Lipids 1862, 1325-1339, doi:10.1016/j.bbalip.2016.12.006 (2017).

【3】Koga, Y. & Morii, H. Biosynthesis of ether-type polar lipids in archaea and evolutionary considerations. Microbiol Mol Biol Rev 71, 97-120, doi:10.1128/MMBR.00033-06 (2007)

【4】Wang, J. X., Xie, W., Zhang, Y. G., Meador, T. B. & Zhang, C. L. Evaluating Production of Cyclopentyl Tetraethers by Marine Group II Euryarchaeota in the Pearl River Estuary and Coastal South China Sea: Potential Impact on the TEX86 Paleothermometer. Front Microbiol 8, 2077, doi:10.3389/fmicb.2017.02077 (2017).

【5】Sofia, H. J., Chen, G., Hetzler, B. G., Reyes-Spindola, J. F. & Miller, N. E. Radical SAM, a novel protein superfamily linking unresolved steps in familiar biosynthetic pathways with radical mechanisms: functional characterization using new analysis and information visualization methods. Nucleic Acids Res 29, 1097-1106, doi:10.1093/nar/29.5.1097 (2001).

供稿 | 朱盎岐

审稿 | 李浩田

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

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