过氧化氢在人体中的重要作用之一是对抗入侵的病原体，而大多数病原体业已进化出专门的过氧化氢酶来降解中性粒细胞和巨噬细胞产生的过氧化氢。结核分枝杆菌（Mtb）主要使用一类含有血红素的双功能酶，过氧化氢酶-过氧化物酶（catalase-peroxidase, 简称为KatG）来应对体内过氧化氢。KatG的过氧化氢酶(catalase)功能依赖翻译后修饰的蛋白质来源交联辅因子——蛋氨酸-酪氨酸-色氨酸 (以下简称MYW) 。该MYW辅因子对其过氧化氢酶功能至关重要，使病原体能够在感染期间中和宿主体内产生的过氧化氢。而另外一种功能，过氧化物酶(peroxidase) 是病原体细胞为了活化利用环化物生存的基本功能；此功能并不依赖MYW （图一）。值得一提的是，迄今为止最成功的一线抗结核分枝杆菌药物异烟肼(isoniazid)就是利用KatG的过氧化物酶功能将其转化为其活性形式，进而抑制结核杆菌的细胞壁生成。另一种过氧化修饰的MYW辅因子结构，MYW-OOH（含有吲哚-N-连接过氧化氢基团N-OOH），曾在KatG晶体结构中偶然被观测到过，但因其在溶液状态下的观测从未实现，故其潜在的生化活性和生理功能一直未知。近日，德克萨斯大学圣安东尼奥分校（UTSA）刘爱民教授的团队找到了MYW-OOH在天然KatG溶液状态下的存在条件，并从生物化学角度阐明了 MYW-OOH 的奥秘及其在结核分枝杆菌KatG 中的作用 (Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202407018; doi: 10.1002/anie.202407018)。
图一: 双功能过氧化氢酶-过氧化物酶(catalase-peroxidase, 通常简称为KatG)的催化功能
在室温表达KatG（以下简称KatG_25）的过程中，该团队首次检测到溶液中MYW-OOH是结核分枝杆菌KatG蛋白质辅因子的主要存在形式，并利用多种谱学手段在溶液和晶体结构中对其加以表征（图二, A 到E）。这个发现也令研究 MYW-OOH 的化学稳定性和生化功能即时成为可能。在此基础上，作者首次发现了 MYW-OOH 能够暂时抑制其过氧化氢酶活性，并呈现出一种独特的“滞后期”现象（图二, F 到 G），这表明MYW-OOH使KatG处于临时锁定状态。
图二: 温度效导致结核分枝杆菌KatG具有两种不同形式的蛋白质来源交联辅因子。室温下主要是MYW-OOH；体温下是MYW。
作者进一步研究了辅因子的转化条件。如图三所示，暴露于过氧化氢或提高温度可以去除蛋白质辅因子中的过氧化修饰，将 MYW-OOH 转变为 MYW，从而恢复KatG对过氧化氢的解毒能力（参见原文）。该团队进一步解析了多个包含中间体的晶体结构，晶体内化学反应直观的展示了MYW-OOH转化为MYW的现象和化学层面上的分子表征。毫无疑问， 这些研究结果证明氮(N)-连接的过氧化氢基是有生物学意义的辅因子修饰。含有MYW的KatG处于可以执行catalase功能的状态；而含有 MYW-OOH 的 KatG 表现出一种处于休眠但随时待命的状态。这些发现揭示了氮-连接过氧化修饰(N-OOH)在酶功能中的作用以及病原体中双功能酶KatG 的氨基酸交联辅因子被化学修饰的可行性。
图三: 在热处理或过氧化物处理下的晶体内反应，结核分枝杆菌KatG蛋白质辅因子从MYW-OOH转化为MYW。
在文章讨论中, 作者针对结核分枝杆菌中双功能酶 KatG 的催化机制提出了新的见解，强调了吲哚-N-过氧化修饰辅因子在调节其过氧化氢酶功能中的作用。这种奇特的翻译后调节机制体现了病原体细胞在环境变化时具有自动解锁的环境自适应能力（图四）。同时，针对MYW辅因子的化学修饰的研究会启发对抗结核分枝杆菌的新策略。
图四: 两种天然存在交联辅因子图示——MYW-OOH 临时锁定过氧化氢酶活性，呈现出独特的自动解锁机制。过氧化物或高温会将MYW-OOH转化为MYW，从而恢复KatG在人体内的过氧化氢解毒能力。
论文信息
Indole N-Linked Hydroperoxyl Adduct of Protein-Derived Cofactor Modulating Catalase-Peroxidase Functions
Dr. Jiasong Li, Ran Duan, Ephrahime S. Traore, Romie C. Nguyen, Dr. Ian Davis, Dr. Wendell P. Griffth, Prof. Douglas C. Goodwin, Prof. Andrzej A. Jarzecki, Prof. Aimin Liu
文章的第一作者是UTSA李家松研究助理教授，主要共同作者包括UTSA博士研究生段然。
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202407018
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