蓝藻砷酸还原酶的溶液结构、动态相互作用和催化机理研究

砷酸还原酶催化五价砷还原为三价砷，在生物体砷解毒过程中发挥着重要的作用。目前已知的砷酸还原酶可以分为五个大家族。其中，研究最为深入的两个家族分别是Grx偶联家族和Trx偶联家族。这两个家族之间不具有同源性，并且分别采用Grx和Trx系统作为其上游电子供体。近几年在蓝藻基因组中发现了一类新型的砷酸还原酶，其代表蛋白为集胞藻PCC 6803的SynArsC蛋白。这类蛋白与Trx偶联砷酸还原酶家族具有较高的序列相似性，却需要采用Grx系统作为其上游电子供体，因此被称为Trx-Grx杂联砷酸还原酶。目前，对该家族蛋白的催化机理、三维结构、蛋白质相互作用等方面，尤其是对Grx系统的特异性识别机制都了解甚少。本课题将应用液相核磁共振技术结合其它现代生物化学和生物物理手段对集胞藻SynArsC蛋白进行溶液结构、动态相互作用和催化机理的研究，深入阐明Trx-Grx杂联家族砷酸还原酶发挥生物功能的分子机理。

砷酸还原酶催化五价砷还原为三价砷，在生物体砷解毒过程中发挥着重要的作用。在目前已知的砷酸还原酶中，对其分子机理研究最为深入是与谷氧还蛋白（Grx）偶联的和与硫氧还蛋白（Trx）偶联的两个砷酸还原酶家族。在蓝藻基因组中发现的一类新型的砷酸还原酶，以集胞藻PCC 6803的SynArsC蛋白为代表，在行使功能时具有特殊性：它与Trx偶联砷酸还原酶家族具有较高的序列相似性，却需要采用Grx系统作为其上游电子供体，因此被称为Trx/Grx杂联的砷酸还原酶家族。对该家族蛋白的三维结构、蛋白质相互作用和催化机理，尤其是它对Grx系统的特异性识别机制，都缺乏了解。.在本课题研究中，我们主要应用液相核磁共振技术，并结合其它现代生物化学和生物物理手段，对集胞藻SynArsC蛋白的结构和功能关系进行了深入的研究。我们应用了核磁共振技术和质谱技术等跟踪了SynArsC蛋白在催化过程中的构象变化，完成了该蛋白在催化反应中四个不同状态下的高分辨率三维空间结构解析。这些结果从原子水平上解释了该蛋白家族对Grx系统的特异性识别的结构基础，并完善了该家族蛋白催化砷酸还原反应的分子机理。本课题的研究成果不仅解答了生物体砷解毒研究领域重要的问题，而且为SynArsC蛋白家族作为砷酸还原酶在进化中的“分子化石”地位提供了结构生物学的依据。