人源不寻常的 Fe(II) 与 2‑氧代戊二酸依赖性天冬氨酸/天冬酰胺‑β‑羟化酶（AspH）多底物性的结构基础

为何微小的蛋白修饰至关重要

我们的细胞依赖无数微小的化学修饰来维持生命活动。其中一种修饰是在蛋白质的特定残基上加入一个氧原子。本研究聚焦于一种称为 AspH 的人源酶，它能够进行这种细微的改动并且与癌症相关。通过揭示 AspH 在原子级别的工作机制，研究者展示了它如何作用于多种蛋白靶点，并提出了可选择性抑制该酶的新型药物设计思路。

配备不寻常结构的专职酶

AspH 在称为内质网的细胞区室内发挥作用，它修饰的是称为表皮生长因子样（EGF‑like）结构域的短蛋白片段。这些结构域参与调控血液凝固和细胞信号传导等过程。大多数相关酶使用一种典型的三配位金属结合构型来固定推动化学反应的铁原子。而 AspH 打破了这一规则：它仅使用来自蛋白的两个组氨酸侧链以及一个牢固结合的水分子来配位铁。尽管这种构型不同寻常，AspH 仍能对其靶蛋白中的天冬氨酸和天冬酰胺残基均发生作用，这表明其具有研究者所谓的内在可塑性（promiscuity）。

在晶体中观察化学反应

为了观察 AspH 的实际作用，团队制备了结合其铁辅因子、辅酶 2‑氧代戊二酸（2‑oxoglutarate，2OG）以及短肽底物的活性酶晶体。他们在强光源（包括 X 射线自由电子激光）上使用高强度 X 射线束捕捉了酶与氧反应前后的快照。在室温且即便在刚性的晶格内，AspH 也完成了一次反应循环，将一个氧原子添加到底物上，同时将 2‑氧代戊二酸转化为琥珀酸。产物中新形成的羟基转向并结合铁，取代了起始状态中位于一个组氨酸对侧的水分子。

氧如何找到其结合位点

随后，科学家探究了进入的氧分子在哪里结合以及反应过程中铁如何变化。他们使用一氧化氮（NO），一种能被电子顺磁共振谱（EPR）追踪的氧的近似体，来替代 O2。在晶体和溶液中，一氧化氮都附着在铁上，位置与先前弱结合的水分子相同。额外的 X 射线发射测量显示，在一次完整的周转后，铁回复到其初始的 Fe(II) 态，这与经典循环一致：铁短暂经过高价态来驱动反应，随后恢复以准备下一轮反应。用重氧（18O2）进行的精心设计实验则确认，加入到蛋白上的氧原子直接来自分子氧，而非来自水，尽管金属位点上总是存在一个结合的水分子。

酶的可调性与局限

周围氢键网络的细微差别使 AspH 能处理天冬氨酸或天冬酰胺，但效率并不相同。一个可动的谷氨酰胺侧链（Q627）会移动以与不同类型的底物及邻近水分子形成不同的相互作用，从而略微改变反应效率。团队还检测了一种拟卤离子—异硫氰酸盐（isothiocyanate），其可以表现得类似其他相关酶利用的卤素离子来安装氯或溴原子。异硫氰酸盐确实能与 AspH 的铁结合，但结合在一个不支持卤素化化学反应的位置。该错误定位很可能解释了为何尽管 AspH 的铁位点在某些方面类似于已知的卤素化酶，它却不进行卤素化反应。

对疾病与治疗的意义

AspH 在多种癌症中常被过度表达并错误定位到细胞表面，其活性与肿瘤入侵性增强及更差的预后相关。通过阐明其不寻常的铁‑水基金属位点如何工作，这项研究为药物设计指明了新方向。除了模仿辅酶 2‑氧代戊二酸之外，未来的抑制剂可以设计为置换该牢固结合的水分子或阻断氧的进入通道，以在选择性上优于其他必需的人体酶。理解这种精细平衡的化学反应也支持了 AspH 可能参与细胞氧感知的观点，并为工程改造相关酶以开展新型绿色化学反应提供了结构框架。

引用: de Munnik, M., Brasnett, A., Zhou, T. et al. Structural basis of the promiscuity of the unusual Fe(II) and 2-oxoglutarate dependent human aspartate/asparagine-β-hydroxylase. Nat Commun 17, 4267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69425-w

关键词: AspH 酶, 蛋白羟基化, 依赖铁的氧化酶, 氧感知, 癌症生物学