药学院张雁团队发现肠道菌氨基酸初级代谢新酶

2021年04月23日，天津大学药学院张雁教授研究团队联合尉迟之光副教授和美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）Huimin Zhao教授及其领导的新加坡科学与工程研究所（A*STAR）研究团队在美国化学会期刊《ACS Catalysis》上发表题为“The glycyl radical enzyme arylacetate decarboxylase from Olsenella scatoligenes”的科技论文（DOI: 10.1021/acscatal.1c01253）。此项研究也是张雁教授课题组继2018年发现吲哚乙酸脱羧酶（Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-018-06627-x）及2019年发现羟乙磺酸裂解酶（Nature Communications DOI：10.1038/s41467-019-09618-8）以来，在甘氨酸自由基酶参与氨基酸初级代谢领域研究的又一突破性进展。

高度恶臭的挥发性化合物对甲酚和粪臭素是厌氧细菌发酵酪氨酸和色氨酸的最终代谢产物，其产生依赖对氧气敏感的甘氨酸自由基酶（GRE）家族成员对羟基苯乙酸脱羧酶（HPAD）和吲哚乙酸脱羧酶（IAD）。张雁团队发现，从猪粪中分离出的厌氧性粪臭杆菌Olsenella scatoligenes除包含HPAD和IAD外，还存在第三种GRE脱羧酶，研究组原以为该酶是苯乙酸脱羧酶（PhdB），参与另一芳香族氨基酸苯丙氨酸的无氧代谢。出乎研究团队意料的实验结果显示其不能催化苯乙酸脱羧，因此该酶不是PhdB；该酶却能催化对羟基苯乙酸和对氨基苯乙酸两种不同底物的脱羧反应，而已知的HPAD不能使对氨基苯乙酸脱羧。

研究团队进而解析了该酶与底物复合物的晶体结构（PDB: 7E7L），结构显示该酶活性中心完全不同于HPAD，而且该酶不具备HPAD含铁硫簇的小亚基。由于该酶的底物范围和结构均与HPAD明显不同，论文作者认为该酶不是第二个HPAD而是除HPAD、IAD、PhdB之外的第四个芳基乙酸脱羧酶，并命名其为AAD。HPAD发现至今已有二十年，欧美多个科研团队根据实验和计算证实了其依赖甘氨酸自由基、保守的半胱氨酸以及两个谷氨酸残基，经由质子偶联电子传递（PCET）的催化机制完成对底物的转化。针对AAD缺失对应HPAD活性位点的两个谷氨酸，而且能被甘氨酸自由基氧化形成硫自由基的半胱氨酸C447与底物较远的晶体结构，张雁团队提出了AAD的催化机制假说：其依赖保守的C447和组氨酸H658残基，通过电子传递（ET）形成底物自由基，进而经由H658进行氢接力转移（HAT）实现催化。尽管这一机制并没有先例，需要进一步的实验证明， AAD无疑是一个全新的芳基乙酸脱羧酶。Olsenella scatoligenes是重要的肠道菌，体外培养显示在培养液中加入对羟基苯乙酸，AAD得到几百倍的诱导表达，并且在细胞培养液中发现对甲酚的产生。有研究表明，对甲酚在人体中的含量与自闭症和癌症密切相关，因此这项研究成果与人类健康密切相关。

AAD（紫色，底物深紫色）与HPAD（绿色，底物深绿色）的活性中心结构对比。

天津大学药学院硕士生路强为论文的第一作者，新加坡科学与工程研究所博士Yifeng Wei为该文共同第一作者。天津大学为本项研究成果的第一完成单位。