Nat. Commun. | 发现Ni2+依赖性异六聚二甲双胍水解酶 – 化学慧

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分享一篇发表在Nature communications上的文章“Discovery of a Ni2+-dependent heterohexameric metformin hydrolase”。文章的通讯作者是来自上海交通大学的周宁一教授，他们组主要关注微生物分解代谢芳烃污染物的生理以及污染土壤的微生物修复等方面的问题。

二甲双胍是一种广泛使用的治疗糖尿病的药物。口服的二甲双胍主要以未代谢转化的形式被排泄出来，导致二甲双胍出现在日常环境中。环境中的二甲双胍如何与微生物群产生相互作用始终是一个问题，而一些研究表明二甲双胍会通过微生物中的鸟苷分解代谢流程被代谢转化。在作者此前的研究中，发现了一种能够直接利用二甲双胍的氨基杆菌菌株NyZ550，它可以将二甲双胍代谢为胍基脲和二甲胺；但目前还不清楚具体是哪种酶介导了二甲双胍最开始的分解代谢反应。在本文中，作者确定了NyZ550中直接降解二甲双胍的两种水解酶基因，并对结构和机制进行了研究。

作者通过对比已经报道的可以利用二甲双胍微生物基因组，发现它们都具有一个七基因基因簇metR2TR1ABCaCb，包括两个转录调节因子、一个内转运蛋白、两个Ni/Fe 氢化酶镍掺入相关蛋白MetA和MetB，以及两个精氨酸酶/胍丁胺酶家族蛋白质MetCa和MetCb。MetCaCb所属的精氨酸酶家族是一种金属酶，一般在Mn2+的存在下裂解C-N键，所以作者推测MetCaCb可能是二甲双胍的水解酶。MetCaCb的表达水平在二甲双胍处理后会发生上调，而在大肠杆菌中过表达MetCaCb并添加Ni2+时发现了强烈的二甲双胍代谢活性，这证明了作者的猜想是正确的。然而，单独纯化的MetCa及MetCb或者分别纯化后重新混合的蛋白都没有代谢活性，只有共同表达纯化时才有代谢活性，说明两部分基因共同决定二甲双胍水解酶的活性。进一步，作者通过13C-NMR和HPLC-MS确定了同位素标记的二甲双胍在MetCaCb催化后代谢为胍基脲以及二甲胺；他们还发现一些双胍类似物也会被MetCaCb代谢，但是其他类型的胍基化合物无法被代谢。

作者进一步解析了MetCaCb复合物的晶体结构，发现蛋白复合物以异源六聚体的形式存在。Ca和Cb的主体序列结构是相似的，其中MetCa的活性位点包含两个金属结合位点，是复合物的催化中心；但是MetCb不结合金属。进一步的分子对接结果表明，二甲双胍可以结合在MetCa的活性位点区域内，MetCb和MetCa上几个芳香族氨基酸共同构建了一个含负电的口袋，使二甲双胍可以结合在内。

最后，作者也从进化的角度研究了两个蛋白在其他微生物中同源物的存在情况。它们发现MetCa和MetCb是同一起源的两个不同分支，MetCa分支保留了精氨酸酶保守的和金属离子相互作用的6个氨基酸，这些氨基酸在MetCb分支中发生了半数以上的突变。作者也对分支中几组不同微生物来源的MetCaCb进行了纯化表征，但是它们对二甲双胍的代谢能力都不如来自NyZ550的MetCaCb的代谢能力。

总之，本文确定了来自NyZ550中MetCaCb能够以Ni2+依赖的方式直接代谢二甲双胍。

本文作者：MYZ

责任编辑：FTY

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50409-7

原文引用：DOI：10.1038/s41467-024-50409-7

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