第一作者：李申、徐鑫
通讯作者：程凯莹
发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules
期刊5-Year Impact Factor： 8.7
通讯单位：杭州师范大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.154827
成果简介
2026年11月1日，杭州师范大学基础医学院程凯莹教授团队在国际学术期刊International Journal of Biological Macromolecules发表题为“Structural and functional characterization of the PAPase from Deinococcus radiodurans harboring a unique C-terminal domain”的研究论文。
研究发现，耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）的CysQ不仅具有典型的3′-磷酸腺苷-5′-磷酸（PAP）水解活性，还能够催化果糖-1,6-二磷酸、果糖-6-磷酸和NADPH等多种磷酸化代谢物的水解，表现出较为广泛的底物特异性。研究团队进一步解析了DrCysQ游离态及其与PAP结合态的高分辨率晶体结构，发现该蛋白在具有保守催化核心的同时，还包含一个在耐辐射奇球菌属中具有特征性的C-端结构域（C-terminal domain，CTD）。该结构域通过稳定底物结合口袋的空间构象，参与调节酶的催化效率和底物选择性。
本研究从蛋白质结构与生化功能两个层面阐明了DrCysQ的多功能催化机制，拓展了对FIG超家族酶功能多样性的认识，并为进一步理解极端环境微生物维持代谢稳态的分子机制提供了新的研究线索。
引言
耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）是一种具有极强环境应激耐受能力的微生物，能够耐受较高剂量的电离辐射和严重的氧化损伤。长期以来，该菌因其独特的DNA损伤修复能力而受到广泛关注。然而，除了高效的DNA修复系统外，细胞内代谢稳态的维持同样可能是其适应复杂环境的重要因素。目前，有关耐辐射奇球菌硫代谢调控及其相关酶的分子机制仍有待进一步研究。
PAP磷酸酶（PAPase）是参与细胞硫代谢的重要酶，能够水解代谢过程中产生的PAP，帮助维持细胞内代谢稳态。与其他细菌不同，耐辐射奇球菌仅具有一个明确注释的FIG超家族成员DrCysQ，并且该蛋白具有一个独特的C-端结构域。这一结构域是否具有特殊功能？DrCysQ是否能够催化多种底物？围绕这些问题，研究团队开展了一系列实验研究。
图文导读
1. DrCysQ具有保守的PAPase催化核心和独特的C-端结构域
首先，团队对DrCysQ与不同物种的CysQ同源蛋白进行了序列比对和结构域分析。结果发现，DrCysQ与其他CysQ蛋白一样，具有高度保守的PAPase催化核心，其中与金属离子结合相关的关键氨基酸序列在不同物种中具有较高的保守性。
值得注意的是，DrCysQ在保守催化结构域之外还具有一个额外的C-端结构域。通过对Deinococcus属、Thermus属及其它多个细菌属的同源蛋白进行比较发现，这一额外结构域仅存在于Deinococcus属的CysQ蛋白中，提示其可能参与DrCysQ特殊的催化或调控功能（图1）。
图1 PAPase序列以及结构域保守性分析。
2. 独特的C-端结构域调节DrCysQ的催化活性和底物选择性
为了进一步研究C-端结构域的功能，团队构建了缺失该结构域的截短蛋白DrCysQΔC，并比较其与完整DrCysQ蛋白的催化活性。实验结果发现，当删除C-端结构域后，DrCysQ对PAP的水解活性显著降低，仅保留野生型酶活性的约20%。同时，该截短蛋白对果糖-1,6-二磷酸、果糖-6-磷酸和NADPH等其他底物的水解能力也受到明显影响。进一步的酶动力学分析表明，C-端结构域的缺失使DrCysQ对PAP的最大反应速率（Vmax）降低约47倍，而米氏常数（Km）增加约5倍，说明该结构域对底物结合和催化效率均具有重要影响。
通过对C-端结构域及相关相互作用位点进行分析，我们发现Arg330、Asp327以及位于相邻结构域中的Glu162等残基可能参与维持底物结合口袋的空间构象。其中，Arg330和Glu162的突变对不同底物的催化产生了不同程度的影响，进一步证明C-端结构域在底物选择性调节中发挥重要作用。结合晶体结构和生化实验结果，揭示了DrCysQ的保守催化核心主要负责PAP的基础催化功能，而其独特的C-端结构域通过稳定底物结合口袋、调节局部空间构象，提高了酶对不同磷酸化底物的适应能力，从而赋予DrCysQ更加多样化的催化功能（图2）。
图2 C-端稳定性影响 DrCysQ 的底物广谱性。
小结
本研究通过酶学分析、晶体结构解析及定点突变实验，证实了耐辐射奇球菌DrCysQ具有多底物催化能力，并揭示了其独特的C-端结构域在底物结合和催化过程中的重要作用。研究表明，DrCysQ通过保守催化核心与独特C-端结构域的协同作用，实现了对多种磷酸化底物的催化。这种多功能特征可能有助于耐辐射奇球菌维持代谢灵活性，为进一步研究极端环境微生物的代谢适应机制提供了新的分子依据。
本研究得到浙江省医学表观遗传重点实验室支持，获国家自然科学基金、杭州市青年创新团队项目和杭州师范大学科研创新团队项目资助。
作者简介
第一作者 李申
杭州师范大学基础医学院博士后。2025年博士毕业于中山大学，随后入职杭州师范大学。主要以生物化学，结构生物学以及微生物学为研究手段，研究噬菌体与细菌之间的互作机制。以第一作者身份发表SCI论文6篇。
共同第一作者 徐鑫
杭州师范大学2024级硕士研究生，生物化学与分子生物学专业，以共同第一作者在Protein Science、International Journal of Biological Macromolecules发表SCI论文。
通讯作者 程凯莹
杭州师范大学基础医学院教授，博士生导师。2016年于浙江大学获博士学位，随后于帝国理工学院从事博士后研究，2021年初入职杭州师范大学。目前主要研究方向是细菌的DNA复制及损伤修复机制，主要涉及相关通路上核酸酶、解旋酶、聚合酶等酶类的生物学功能、生化活性及蛋白结构研究。已在Nature Structural & Molecular Biology、Nucleic Acids Research、elife，Cell Mol Life Sci、mBio、BMC biology等SCI期刊发表相关论文30余篇，主持多项国家自然科学基金、省自然科学基金和杭州市青年创新团队项目。
