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异柠檬酸脱氢酶(IDH)是一个负责催化异柠檬酸(ICT)氧化脱羧生成α-酮戊二酸(αKG)的酶家族。根据其辅因子的特异性,IDH可以分为两大类:一类是以NADP为辅因子的NADP-依赖型IDH(NADP-IDH),另一类是以NAD为辅因子的NAD-依赖型IDH(NAD-IDH)。古细菌和绝大多数的细菌中只有NADP-IDH,其参与三羧酸循环:而真核生物中NADP-IDH和NAD-IDH共存,NADP-IDH参与细胞的抗氧化损伤、对活性氧物质的解毒及脂肪酸和胆固醇的合成等活动,NAD-IDH则在三羧酸循环中发挥重要的功能。
在催化机理上,真核NADP-IDH与原核NADP-IDH之间在某些方面存在着差异。为了进一步研究清楚真核NADP-IDH的催化机理,我们开展了对酿酒酵母中定位于线粒体的NADP-IDH同工酶1(Idp1p)的结构生物学研究,得到了Idp1p在不同酶学状态下的晶体结构,包括与辅因子NADP、底物ICT和反应产物αKG分别形成的二元结构,和与反应产物NADPH、αKG及抑制性离子Cd2+形成的四元结构。对这几个结构和其它已经报导的NADP-IDH的结构进行的比较分析不仅揭示了在识别和结合辅因子、底物和产物方面起到重要作用的核心氨基酸残基,还揭示了真核NADP-IDH在整个催化反应中伴随着这些配体的结合和解离所发生的重要且明显的构象变化。这些配体的结合和释放会引发组成活性位点的结构单元发生重要的构象变化,使得真核NADP-IDH的大结构域沿着两个铰链区相对小结构域及钩扣结构域发生旋转,同时却保持了其二级结构的整体性,从而形成了至少三种截然不同的整体构象。而在大肠杆菌中,NADP-IDH的构象改变只发生在两种不同形式的无配体结合状态下。这些发现显示相比大肠杆菌,真核NADP-IDH的催化机制更加复杂,包含了更加复杂的构象变化。
由于NAD-IDH在结构和酶学方面的复杂性,其分子机制至今还很不清楚。目前只有酿酒酵母NAD-IDH的结构被报道,为了更好的研究NAD-IDH的分子机制,我们开展了对人NAD-IDH的结构和生化研究,得到了具有活性的α-γ复合物及其在结合不同配体情况下的晶体结构。对这几个结构和酿酒酵母NAD-IDH结构的比较分析不仅揭示了该复合物与Mg2+、柠檬酸、NAD、ADP和ATP之间的相互作用,展示了这些配体的结合引起该复合物发生的一系列构象改变,还揭示了高度同源的催化亚基和调节亚基之间在结构上存在的差异。这些都为进一步揭示NAD-IDH的催化机理和调节机理提供了很好的信息。