新发现的酶“方块舞”有助于生成DNA构件

麻省理工学院的生物化学家可以在酶变得活跃时对其进行捕获和可视化，这是一项重要的发展，可能有助于未来的药物开发。您如何捕捉眨眼间发生的细胞过程？麻省理工学院的生物化学家已经设计出一种方法，可以在一种重要的酶变得活跃时对其进行捕获和可视化-告知药物开发并揭示生物系统如何存储和传递能量。

核糖核苷酸还原酶（RNR）酶负责将RNA结构单元转换为DNA结构单元，以构建新的DNA链并修复旧的DNA链。RNR是抗癌疗法以及治疗病毒性疾病（如HIV / AIDS）的药物的目标。但是数十年来，科学家们一直在努力确定酶的激活方式，因为它发生得如此之快。现在，研究人员首次将处于活性状态的酶捕获，观察到酶如何改变形状，将其两个亚基紧密结合在一起，并传递产生DNA组装所需的能量。

在进行这项研究之前，许多人认为RNR的两个亚基结合在一起并具有完美的对称性，就像一把锁的钥匙。麻省理工学院化学和生物学教授，霍华德·休斯医学研究所的研究员凯瑟琳·德伦南说：“三十年来，这就是我们的想法。” “但是现在，我们可以看到机芯更加优雅。该酶实际上正在执行“分子广场舞”，其中蛋白质的不同部分钩在其他部分上并围绕其他部分摇摆。真的很漂亮。”

麻省理工学院化学和生物学名誉教授德伦南（Drennan）和乔安妮·斯塔布（JoAnne Stubbe）是该研究的资深作者，该研究于3月26日发表在《科学》杂志上。前研究生Gyunghoon“ Kenny” Kang PhD '19是该研究的主要作者。

所有蛋白质，包括RNR，都由称为氨基酸的基本单位组成。十多年来，Stubbe的实验室一直在尝试用RNR的天然氨基酸替代合成的氨基酸。通过这样做，实验室意识到他们可以将酶捕获为活性状态并减慢其恢复正常的速度。但是，直到Drennan实验室获得了一项关键技术进步（低温电子显微镜）后，他们才可以从Stubbe实验室获取这些“捕获的”酶的高分辨率图像并进行仔细观察。

Drennan说：“在我们积极尝试解决不可能的问题时，我们真的没有做任何冷冻电子显微镜检查：使RNR处于活跃状态。” “我不敢相信它能起作用；我还在捏自己。”

这些技术的结合使研究团队可以观察到复杂的分子舞蹈，这种舞蹈使酶将催化的“火力”从一个亚基传递到另一个亚基，从而生成DNA构件。这种火力来自于高度反应性的未配对电子（自由基），必须对其进行仔细控制以防止对酶的破坏。 

根据Drennan的说法，该团队“希望了解RNR如何起到相当于玩火而不会被烧死的效果。”

第一作者Kang说，减缓自由基的转移使他们能够观察到以前从未完全见过的部分酶。他说：“在进行这项研究之前，我们知道这种分子舞蹈正在发生，但我们从未见过这种舞蹈在起作用。” “但是现在我们有了处于活动状态的RNR结构，我们对酶的不同成分如何运动和相互作用有了更好的认识，以便将自由基自由基长距离转移。”

尽管这种分子舞蹈将亚基结合在一起，但它们之间仍然存在相当大的距离：自由基必须从第一个亚基移动到第二个亚基35-40埃。根据德伦南的说法，这趟旅程比平均激进派系的旅程大约要远十倍。然后，自由基必须返回到其起始位置并安全地保存，所有这些操作都必须在酶恢复其正常构象之前的几分之一秒内完成。

由于RNR是治疗癌症和某些病毒的药物的靶标，因此了解其活性状态结构可以帮助研究人员设计出更有效的治疗方法。了解酶的活性状态还可以为生物燃料等应用提供对生物电子传输的深入了解。Drennan和Kang希望他们的研究能够鼓励其他人捕捉过去很难观察到的短暂的细胞事件。

德伦南说：“我们可能需要重新评估几十年来的结果。” “这项研究可能提出的问题多于解答；这更多的是起点，而不是终点。”

该研究由美国国立卫生研究院，戴维·H·科赫研究生奖学金和霍华德·休斯医学研究所资助。