江南大学杨海麟教授团队的最新研究成果
Insights into the catalytic mechanism of a type I sulfide quinone oxidoreductase (SQR) from Acidithiobacillus caldus
在SMAB正式上线
原文链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s43393-023-00165-4
作者结合硫化物醌氧化还原酶的酶学性质和三维结构提出了一种适用于嗜酸喜温硫杆菌来源的硫化物醌氧化还原机制模型。
研究背景
嗜酸喜温硫杆菌属于中度嗜热、专性嗜酸的化能自养型革兰氏阴性菌，在自然界中主要分布于酸性矿坑废水中，是生物浸矿过程中的主要硫氧化细菌之一，占浸出液中总菌体量的25%。在浸出体系中，嗜酸喜温硫杆菌能够与矿物汇总的单质硫和多种还原型无机硫化物发生反应，如硫酸盐（SO42-）、硫代硫酸盐（S2O32-）、亚硫酸盐（SO32-）、硫化物（S2-）等，是微生物的生长和代谢的主要能量来源。
SQR是一种古老的核黄素蛋白，属于二硫化物氧化还原酶家族（Disulfide oxidoreductase family, DSR），主要功能是呼吸作用、解毒作用和对重金属离子的抗性等。随着对SQR的研究不断深入，当前已确定SQR几乎存在于除植物以外的绝大多数生物体中。硫化物醌氧化还原酶（sulfide quinone oxidoreductase，SQR）作为硫代谢过程中的首个关键酶，对SQR进行深入研究有助于更好的解析浸矿微生物的生长和代谢过程。
科学发现
选取UniPort数据库的25条的不同来源的sqr氨基酸序列进行进化树构建，根据生物来源的不同和半胱氨酸位点对FAD辅因子结合影响，已有研究将SQR蛋白分为六大类。嗜酸喜温硫杆菌来源的SQR蛋白属于第一类，具有是哪个保守半胱氨酸位点，且与嗜酸氧化亚铁硫杆菌的SQR蛋白有着较高的相似度。
图一 嗜酸喜温硫杆菌来源的SQR同源蛋白系统进化树分析
SQR中的关键氨基酸显示为棒状，FAD为明黄色，底物DUQ为棕黄色。Cys128位于FAD异恶嗪环的si面，Cys160和Cys356位于异恶嗪环的re面，FAD的C4A原子与Cys160、Cys356的S原子之间的距离分别是7.3Å和5.4Å，Cys128的S原子与FAD的C8M原子之间的距离为4.0Å。
图二 嗜酸喜温硫杆菌SQR蛋白关键氨基酸位点与FAD及底物DUQ的空间位置关系
对SQR的关键氨基酸位点进行丙氨酸扫描突变，以野生型SQR蛋白的催化活性为100%，突变体蛋白Cys160A（5%）、Cys356A（0%）几乎检测不到酶活性，Cys128A保留了约56%的催化活性，而His132A（98%）和His198A（93%）保留了较高的催化活性。对突变体蛋白进行荧光激发光谱扫描，突变体蛋白在375nm和450nm处依然存在特征峰，Cys128A、Cys356A的荧光强度较弱，Cys160A的荧光强度较高但低于野生型SQR蛋白，His132A和His198A依然保留了较高的荧光强度几乎与野生型无异。
图三 SQR突变体相对酶活测定
（(a)突变体相对比酶活；(b)野生型与突变体荧光激发光谱分析）
总结展望
在基础和应用研究中，嗜酸喜温硫杆菌是极端酸性环境研究中重要的模式细菌和基因宝库。极端嗜酸喜温硫杆菌可耐受极低的pH(0.5-1.0),抗逆过程需要消耗能量，其主要能源途径是硫代谢，而该过程形成的氢离子又会增加酸压力。对硫化物醌氧化还原酶的酶学性质和三维结构展开研究有助于进一步揭示生命体中硫化物氧化和硫代谢平衡机制，为远古生命的能量代谢图谱解析及生命起源之谜的阐释添砖加瓦。
引用方式
陆潇洋，2020级硕士，研究方向为极端嗜酸喜温硫杆菌的硫代谢功能。
冯守帅，江南大学生物工程学院副教授，主要从事极端微生物资源挖掘及其普适性研究。
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造，简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学与Springer Nature出版集团合作主办的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，江南大学副校长徐岩教授担任主编，Bioresource Technology期刊主编Ashok Pandey教授担任期刊首席顾问，更多内容详见期刊主页。
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