Nature Communications | 南京农业大学揭示磺酰脲类除草剂脱毒的分子机制

近日，国际著名期刊《Nature Communications》在线发表了南京农业大学生命科学学院研究成果“Crystal structures of herbicide-detoxifying esterase reveal a lid loop affecting substrate binding and activity”。该研究利用结构生物学解析了SulE及其酶活提高的突变体P44R与多种磺酰脲类除草剂复合物的晶体结构，揭示了SulE的催化机制及突变体P44R酶活提高的分子机制。

磺酰脲类除草剂是一类在全球范围内得到广泛应用的超高效除草剂。其作用机理是通过抑制支链氨基酸合成关键酶乙酰羟酸合酶（acetohydroxyacid synthase, AHAS）的活性而杀死杂草。部分残留期长的品种如甲磺隆、甲嘧磺隆和胺苯磺隆造成严重的作物药害和生态破坏，而部分残留期相对较短的品种如噻磺隆、苯磺隆和豆磺隆是理想的抗除草剂转基因靶标除草剂。因此，磺酰脲类除草剂降解脱毒酶基因在磺酰脲类除草剂污染生物修复及抗除草剂作物新品种培育中具有重要应用价值。酯酶SulE能够催化多种磺酰脲类除草剂的酯键断裂，生成相应的没有除草活性的酸产物。SulE对噻磺隆活性极高，但对其它品种活性很低，这限制了其应用价值。前期研究利用定向进化技术筛选到一个对多种磺酰脲类除草剂活性显著提高的突变体P44R（Liu et al., 2019）。然而，SulE的晶体结构尚未解析，其催化机制和突变体P44R活性提高的分子机制还不清楚。

该研究首先利用X-射线衍射解析了野生型SulE及其与七种底物甲磺隆、甲嘧磺隆、苯磺隆、胺苯磺隆、豆磺隆、苄嘧磺隆和噻磺隆复合物的晶体结构。结构分析表明，SulE为同源二聚体，具有一个特殊的盖子环结构。该环区在单体中远离活性中心，但在二聚体中位于另一个亚基的活性中心上方（图1）。SulE具有较大的活性口袋，七种磺酰脲类除草剂以相似的方式结合，其中芳环部分插入口袋内部，而杂环部分朝向口袋外面（图2）。

图1 SulE的晶体结构

图2 SulE与底物复合物的晶体结构

为进一步阐明突变体P44R活性提高的分子机制，解析了突变体P44R与甲磺隆和豆磺隆等复合物的晶体结构。通过与野生型结构比较分析发现，突变体P44R的盖子环从活性口袋向外偏移，特别是第43-46位置的氨基酸，它们的主链从活性口袋偏移了0.9–4.8 Å，其中Tyr45 偏移最明显。与野生型复合物的结构相比，突变体复合物中甲磺隆和豆磺隆的苯环部分位于相似的位置，但磺酰脲桥和杂环部分经历了约90°的旋转，导致杂环占据了原来Tyr45侧链的位置，并与两侧的Ile43 和Ser142 相互作用。此外，磺酰脲桥的构象旋转导致其中的羰基氧原子与Arg150 的胍基形成氢键。这些相互作用的增加使杂环在突变体P44R中结合更紧密（图3）。

图3 P44R突变体活性改变的分子机制

综上所述，该研究解析了SulE及其突变体与底物复合物的晶体结构，揭示了SulE催化磺酰脲类除草剂水解脱毒的分子机制，发现了盖子环的灵活性不仅影响底物结合，还决定催化活性，为后续通过理性设计进一步提高SulE对各种磺酰脲类除草剂的催化活性提供理论依据。

南京农业大学生命科学学院已毕业博士生刘斌（现江西师范大学生科院教师）为论文第一作者，冉婷婷副教授和何健教授为论文的共同通讯作者。王伟武教授、黄星教授和邱吉国副教授参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金项目（31970096、42277016、32070092）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40103-5

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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