NifB蛋白中Fe4S4結構與功能的探索

大家好，本周為大家推薦一篇來自nature communications上的文章，通訊作者是來自加利福尼亞大學的David Britt教授和 Yalin Hu教授。

固氮酶是生物界中一種重要的酶，它的主要功能是將氮氣轉變為氨氣，並將一氧化碳轉變為碳水化合物。這一獨特的化學反應過程使其在工業上有著極大的應用潛力，因此了解固氮酶的工作原理對於開發工業上的人工固氮催化劑有著極為重要的指導意義。在之前的研究中發現cluster M對於固氮酶的功能有著重要的意義。Cluster M是鉬鐵中心的分子伴侶。之前對於Cluster M的研究給出了一個可能的工作流程：2個Fe4S4在組裝手臂NifB上發生配對重組，並且在原子間隙插入一個碳原子和第9個硫原子，最終形成Fe8S9C的活性體，並和cluster M緊密結合。之後在另一個組裝手臂NifEN的幫助下，這個活性體成熟，並且隨著clusterM被運輸到目標蛋白NifDK上，參與Mo中心的催化作用。

在這一過程中，作為起始的NifB起到了極其重要的作用，它把原來的4Fe K cluster轉變為了8Fe的L cluster。作為自由基SAM酶家族的一員，NifB有典型的SAM酶的特徵序列CXXCXXC的motif，之前從細菌中提取出了NifB的蛋白並且發現了它自由基的機理，但是在這一過程中具體的合成方式和步驟目前還是未知的，本篇文章就通過多種譜學手段結合的方式為了解NifB的生物合成途徑提供了一定的證據。

首先他們在體外建立了含有4Fe中心的NifB蛋白模型，通過在細菌體內將Fe去除乾淨後提取NifB的蛋白，再在體外構建4Fe4S中心。NifB蛋白還有三個模塊，K1，K2和SAM，通過對於這些模塊基因的深度測序，他們發現了9個可能結合的半胱氨酸位點，他們通過在大腸桿菌中表達三個純凈的模塊，純化提取後在體外與合成的4Fe4S結合，通過電子順次共振譜EPR信號的分析，可以確定之前基因測序過程中發現的半胱氨酸結合位點確實會作為配體和4Fe4S中心結合，並且這一發現也確認了這三個domain可以通過4Fe4S進行重組。

之後本文通過脈衝EPR進一步的探索K1 K2和鐵硫中心的結合方式，主要採用兩種模式：電子自旋迴波包絡調製（ESEEM）和二維超精準子相關性脈衝（HYSCORE）。通過兩者的結合，文章中仔細的分析了這兩個模塊的配位方式。他們發現其中的一個組氨酸上的氮原子極其特別，很有可能參與了配位。

這一氮原子作為第四個配體與K1配位，彌補了K1與K2結合後產生的配位空隙。此外文章還證明了在用脫氧腺苷自由基攫取質子和K2自身的甲基化的過程中SAM/K2模塊都是不可缺少的基礎條件。

本文作者：LZH

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