陈雷团队揭示鸟苷酸环化酶催化及活化的详细分子机制
可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）是主要的一氧化氮（NO）传感器。它在NO信号传导中起重要作用，并且涉及许多基本的生理过程和疾病状况。NO的结合导致sGC酶活性的显著增强。然而，NO活化的机制仍未完全了解。
2019年9月12日，北京大学陈雷团队在Nature 在线发表题为“Structural insights into the mechanism of human soluble guanylate cyclase”的研究论文，研究人员使用cryo-EM分别在3.9Å和3.8Å的分辨率下确定人α1β1 sGC全酶在无活性和NO活化状态下的结构。另外，该研究还获得了组成型活性β1H105C突变体的6.8Å分辨率cryo-EM图谱。
这些结构不仅揭示了详细的域 -域接口，还揭示了人类sGC的激活机制。这些结构表明换能器模块桥接NO传感器模块和催化模块。与β1血红素 -一氧化氮和/氧结合（H-NOX）结构域的NO结合，不会触发传感器模块的结构重排和换能器模块的弯曲矫直构象开关。由此产生的催化结构域的N末端的运动驱动催化模块内的结构变化，这反过来促进sGC酶活性。
一氧化氮（NO）是一种独特的气体信号分子，参与许多重要的生理过程，如血管扩张，神经传递，血小板聚集，免疫，细胞增殖和线粒体呼吸过程。NO信号传导失调与心血管疾病，败血症，急性肺损伤和多器官功能衰竭有关。NO合成酶（NOS）的激活启动NO信号，其响应生理刺激而产生NO 。 NO不易渗透靶细胞膜，并且在扩散穿过膜后，其结合并活化可溶性鸟苷酸环化酶（sGC），即主要NO受体。
处于非活动状态的sGC的结构
sGC催化鸟苷三磷酸（GTP）的环化反应，生成无机焦磷酸盐和二级信使环鸟苷酸（cGMP）。然后cGMP作用于下游效应子，包括cGMP调节的蛋白激酶，磷酸二酯酶和离子通道，以调节细胞中的生理过程。人类sGC的基因突变与冠状动脉疾病，贲门失弛缓症和高血压相关，是治疗肺动脉高压和慢性心力衰竭的有效药物靶点。几个世纪以来，NO供体硝酸甘油已被广泛用于缓解心绞痛，而sGC刺激剂riociguat已被批准用于治疗肺动脉高压。sGC激活剂和刺激剂在纤维化疾病，系统性硬化症，慢性肾病，神经保护，痴呆和镰状细胞病中也具有治疗潜力。
处于NO活化状态的sGC的结构
sGC是由一个α亚基和一个β亚基组成的异二聚体蛋白复合物。在人体中，α1和β1亚基在许多组织中广泛表达，而α2和β2亚基的表达是组织特异性的。α和β亚基在一定程度上具有序列同源性，并且类似地组织成模块结构域，包括N-末端血红素 -一氧化氮和氧结合（H-NOX）结构域，Per / Arnt / Sim（PAS）结构域， 卷曲螺旋（CC）结构域和C末端催化结构域。PAS和CC结构域介导蛋白质 -蛋白质相互作用，催化结构域负责酶活性。β亚基的H-NOX结构域含有亚铁b型血红素修复基团，其促进NO的高亲和力结合。在病理条件或氧化应激下，铁血红素可被氧化成铁血红素，血红素氧化的sGC即使在NO存在下也具有低活性。
sGC换能器和催化模块的结构处于NO激活状态
迄今为止，通过X射线晶体学或NMR已经解决了几个孤立的sGC结构域的结构。这些结构包括人β1H-NOX，Manduca sexta αPAS结构域，人β1CC结构域和人α1β1催化结构域异二聚体。最近的冷冻电子显微镜（EM）研究揭示了全长哺乳动物sGC的一般形状，分辨率为25-40Å，氢氘交换实验将NO诱导的结构变化映射到全长sGC的一级序列上。尽管这些开创性的结构努力，远端催化结构域响应NO与βH-NOX结构域的结合激活的变构机制在原子水平仍然不清楚，主要是由于缺乏完整sGC的高分辨率结构信息。
NO活化期间sGC的整体结构重排
在这里，研究人员使用cryo-EM分别在3.9Å和3.8Å的分辨率下确定人α1β1 sGC全酶在无活性和NO活化状态下的结构。另外，该研究还获得了组成型活性β1H105C突变体的6.8Å分辨率cryo-EM图谱。这些结构不仅揭示了详细的域 -域接口，还揭示了人类sGC的激活机制。这些结构表明换能器模块桥接NO传感器模块和催化模块。与β1血红素 -一氧化氮和氧结合（H-NOX）结构域的NO结合，不会触发传感器模块的结构重排和换能器模块的弯曲矫直构象开关。由此产生的催化结构域的N末端的运动驱动催化模块内的结构变化，这反过来促进sGC酶活性。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1584-6
