德国拜罗伊特大学和于利希研究中心的研究人员已经证明，特定的光敏酶——即所谓的传感器组氨酸激酶(SHKs)——通过光控制的不对称性变化来传递信号。通过这项新研究，研究人员对细菌信号处理的一个核心机制有了更好的理解。这可能有助于开发生物医学或生物技术领域的新工具。这些发现发表在《科学进展》期刊上。
SHKs是关键的细菌信号蛋白，在许多过程中发挥重要作用，从控制特定时间哪些基因处于活跃状态，到使细菌具备致病能力。人工设计的光敏SHKs也用于光遗传学，以光精确控制基因活性。然而，到目前为止，对于完整蛋白质的结构信息仍然有限。
这项新研究提供了关于天然和工程化SHKs如何跨多个蛋白质结构域传递信号的重要见解。从长远来看，该研究可能有助于开发新的光遗传学工具，使生物过程能够通过光进行精确控制。这在生物技术和生物医学应用中尤为重要。
SHKs如何引导细胞反应
SHKs是细菌信号通路中双组分系统的一部分。它们由一个检测环境刺激(如光)的传感器和一个控制对刺激(如基因表达改变)的响应的调节器组成。根据系统不同，SHKs可以在光照或黑暗条件下触发不同的反应：它们要么将磷酸基团转移到调节器上，要么将其移除。
这个调节器随后控制细胞内的进一步分子过程，如基因活性的变化。尽管SHKs负责细菌中各种各样的信号通路，并且也用于光遗传学——一种用光控制细胞活性的生物技术——但信号传递的精确机制在很大程度上仍然不清楚。这个问题由来自拜罗伊特大学和于利希研究中心的研究团队解决。
结构与功能的结合
"在我们的研究中，我们从结构和功能两方面考察了新设计的可用作光遗传学工具的光敏SHKs。我们结合了晶体学数据、溶液中蛋白质的分析和功能测试，"拜罗伊特大学生物化学I研究组的乌尔里希·克劳斯说道，他同时也是于利希研究中心生物与地球科学研究所IBG-1下属的海因里希·海涅大学分子酶技术研究所的客座科学家。
这种方法的结合使研究人员能够准确确定SHKs的活性暗态和光诱导结构变化。"于利希研究中心和拜罗伊特大学不同研究所和研究组之间的紧密合作对于破译信号转导机制至关重要，"于利希研究中心蛋白质生物化学研究组负责人雷努·巴特拉-萨费林补充道。
两种形态，两种活性
在研究的SHKs中，黑暗条件下出现不对称弯曲形式，而光照则有利于对称、直线结构。"这两种形式之间的转换与酶的激酶活性密切相关，即向调节器转移磷酸基团，"巴特拉-萨费林解释道。
对溶液中酶的功能和结构研究表明，不对称弯曲形式具有激酶活性，而对称的直线形式则表现出磷酸酶活性，即从调节器中移除磷酸基团。因此，SHK的空间结构在很大程度上决定了是转移还是移除磷酸基团——这是双组分系统调控基因活性的核心步骤。
"简单来说，在不对称形式中，酶的关键部分以一种使激酶活性成为可能的方式定向。向对称直线形式的转变改变了这种排列，使组件与激酶功能不兼容。这有利于磷酸酶活性而非激酶活性，"克劳斯补充道。
研究人员目前正在进一步研究项目中调查这种机制对其他SHKs的普遍性，以及蛋白质动力学在光敏蛋白质信号转导中通常扮演什么角色。
出版详情
弗拉基米尔·阿林金等人，《蓝光传感器组氨酸激酶信号传递中的二聚体不对称性》，《科学进展》(2026)。DOI: 10.1126/sciadv.aed8943
期刊信息
《科学进展》
由拜罗伊特大学提供
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