10月20日，國際學術期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)丁建平研究組的最新研究成果“Lactate dehydrogenase D is a general dehydrogenase for D-2-hydroxyacids and is associated with D-lactic acidosis”。該工作對鼠源的乳酸脫氫酶D(LDHD)進行了系統(tǒng)的生化研究，并解析了LDHD與FAD、Mn2+和一系列底物或產(chǎn)物的復合物的晶體結構。結構和生化數(shù)據(jù)共同揭示了LDHD的底物特異性和催化機制，以及LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)生中的作用。
乳酸是一種重要的代謝物，根據(jù)其C2原子的手性可分為L-乳酸和D-乳酸兩種對映異構體。人體中過量的L-和D-乳酸的積累會導致乳酸酸中毒。D-乳酸酸中毒通常被認為是短腸綜合征的并發(fā)癥，發(fā)生在惡性腫瘤、疾病或空腸回腸旁路手術切除部分小腸后。雖然L-乳酸和D-乳酸都可以通過血腦屏障，但與L-乳酸不同，D-乳酸在大腦中的積累具有神經(jīng)毒性作用，導致多種神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，這些癥狀往往與原發(fā)性神經(jīng)系統(tǒng)疾病混淆。目前，D-乳酸酸中毒癥的發(fā)病原因仍不是很清楚。
最近，在研究患有神經(jīng)系統(tǒng)癥狀或伴有常染色體隱性痛風和高尿酸血癥的病人中發(fā)現(xiàn)了LDHD的幾種錯義突變。代謝譜分析顯示，這些病人的尿液和血漿中D-乳酸和其他幾種有機酸的濃度顯著升高。這些疾病相關的突變被推測會導致LDHD功能喪失，進而導致尿液和血漿中D-乳酸和其他有機酸的水平升高。至今，LDHD的結構、功能、底物特異性和催化反應的分子基礎尚不清楚，LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)病機制中的作用仍待研究。
丁建平組對鼠源的LDHD的酶學特性進行了系統(tǒng)的生化研究。實驗結果表明，LDHD對D-乳酸表現(xiàn)出脫氫酶活性，但對L-乳酸沒有活性。此外，LDHD對多種C2原子上帶有疏水基團的D-2-羥基酸具有酶活，但對C2原子上帶有親水基團的D-2-羥基酸無酶活。結構分析顯示，LDHD的底物結合口袋由一個帶正電的subsite A和一個疏水的subsite B組成，subsite A結合Mn2+和底物的乙醇酸基團或產(chǎn)物的乙醛酸基團，而subsite B結合底物或產(chǎn)物的疏水基團。對與疾病相關的LDHD突變體的活性分析結果顯示，這些突變均導致LDHD對底物的活性大大降低。結構和生化數(shù)據(jù)表明，LDHD是一種Mn2+依賴的廣譜性脫氫酶，可以催化多種C2原子上帶有疏水基團的D-2-羥基酸的脫氫反應?；诮Y構和生化結果，作者揭示了LDHD的底物識別和催化機制，闡明了LDHD突變在D-乳酸酸中毒癥發(fā)生中的作用。研究結果為LDHD突變導致的D-乳酸酸中毒癥的診斷提供了新方向，并對該疾病的治療和相關藥物研發(fā)提供了結構基礎和理論依據(jù)。此外，該工作還提示LDHD可能在支鏈氨基酸的代謝中發(fā)揮重要作用。
丁建平組博士研究生金山和博士后陳星塵為本文的共同第一作者，丁建平研究員為通訊作者。感謝分子細胞卓越中心分子生物學技術平臺和上海同步輻射光源線站工作人員的幫助。該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院的經(jīng)費支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42456-3
LDHD的酶學性質、活性位點識別底物的結構基礎、以及催化反應的分子機制。a. LDHD催化D-LAC的飽和曲線；b. LDHD對不同底物和類似物的催化活性；c. LDHDFAD+Mn+D-LAC結構中底物結合位點的表面電勢示意圖，底物結合位點由親水性的subsite A和疏水性的subsite B組成；d. LDHDFAD+Mn+D-LAC結構中D-乳酸、FAD、Mn2+和周圍氨基酸殘基之間的相互作用關系，氫鍵相互作用用黑色虛線表示，配位鍵用紅色實線表示；e. LDHD的催化反應機制。
