《Nature》揭示 ATP 驱动的甲基辅酶 M 还原酶激活复合物结构：解锁甲烷生成奥秘与固氮酶演化谜题

时间：2025年4月17日

来源：Nature

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在甲烷生成机制及固氮酶演化研究存在重大空白的情况下，研究人员开展了对甲基辅酶 M 还原酶（MCR）激活复合物的研究。他们纯化并表征了该复合物，确定其冷冻电镜结构，发现铁硫簇等关键特征。这为理解 MCR 激活机制和固氮酶早期演化提供了重要线索。研究成果发表在《Nature》杂志上。

在地球的生物化学舞台上，甲烷（）扮演着极为重要的角色。每年，产甲烷古菌向环境中释放高达 1 Gt 的甲烷，而这些甲烷的产生大多依赖于甲基辅酶 M 还原酶（Methyl - coenzyme M reductase，MCR）。MCR 是地球上含量最为丰富的酶之一，在碳循环里占据着关键地位，全球近 50% 的甲烷都是由含 MCR 的微生物产生的，这无疑对气候变化产生了重大影响。MCR 能够将甲基辅酶 M（ - S - CoM）还原为甲烷，同时辅酶 B（CoB - SH）作为电子供体形成 CoMS - SCoB 异二硫化物。

然而，长期以来，科学家们对 MCR 的激活机制却知之甚少。MCR 的活性位点包含辅酶，其中心镍离子只有处于 Ni (I) 状态时才具有活性。但产甲烷古菌如何实现的还原激活，一直是科学界尚未解开的谜团，这也成为了我们理解这一古老生物能量系统的重大障碍。与此同时，关于固氮酶中 [8Fe - 9S - C] 簇的起源问题也悬而未决，这进一步凸显了相关研究的紧迫性。

为了攻克这些难题，来自德国菲利普斯 - 马尔堡大学（Philipps - University Marburg）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们揭示了 MCR 激活复合物的神秘面纱。

在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先是蛋白质纯化和表征技术，通过在嗜温、氢营养型产甲烷菌 Methanococcus maripaludis 的基因组中整合 Twin - Strep - tag 标记，成功纯化出 MCR 激活复合物，并对其组成成分进行了详细分析。其次，利用冷冻电镜（cryo - electron microscopy，cryo - EM）技术，在不同功能状态下对 MCR 激活复合物进行高分辨率结构解析，获得了关键的结构信息。此外，还运用了电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）光谱技术，对复合物中辅因子的电子性质进行探究，以及通过系统的生化活性测定，明确了复合物激活 MCR 的能力和条件。

研究结果如下：

ATP 驱动复合物结合和 MCR 激活：研究人员发现，通过亲和纯化得到的 MCR 激活复合物，在体外能够以严格依赖 ATP 的方式激活 MCR，进而产生甲烷。实验表明，当样品在 5 mM ATP 存在下预孵育时，反应 2 小时后产生的甲烷量为 40 ± 6 nmol，是未激活酶产生甲烷量的两倍；而当反应体系中没有外部添加 ATP 时，仅产生 9 ± 2 nmol 的甲烷。此外，质量光度分析显示，ATP 能够促进 A2 组件与 MCR 的结合，稳定激活复合物的形成。
MCR 激活复合物的结构：冷冻电镜结构显示，激活复合物不对称地结合到 MCR 异源三聚体的一侧。Mmp 蛋白环绕在 MCR 核心周围，McrC 通过灵活的环与其他蛋白相互作用，调节对结合腔的访问。A2 组件由两个反平行排列的 ABC 家族结构域组成，结合在 MCR 的背面，通过静电相互作用与 McrG 结合，且结构中捕获到两个 ATP 分子及其配位的 Mg 离子，表明该结构处于水解前状态。
MCR 激活过程中的功能不对称性：研究发现 MCR 核心的两个活性位点存在功能不对称性。在近端活性位点，发现了 CoMS - SCoB 异二硫化物，其与 Ni 离子的相互作用方式与之前的晶体结构显著不同。同时，近端活性位点的构象变化，如特定环的位移和重排，可能有助于的还原和产物的释放。
类似固氮酶的 FeS 簇途径：研究人员在 McrC、Mmp7 和 Mmp17 的界面处观察到三个电子丰富区域，其中包含的铁硫簇结构与固氮酶催化辅因子的成熟中间体 L - 簇相似。这些 FeS 簇形成了一条向位点的电子转移途径，可能在 MCR 激活过程中传递低电位电子，还原中的镍离子。EPR 光谱分析也为这些 FeS 簇的存在和功能提供了进一步的证据。
MCR 激活和固氮酶演化：通过对 McrC、Mmp7、NifB 和 CfbD 等蛋白的系统发育分析，研究人员推测 [8Fe - 9S - C] 簇可能首先在产甲烷过程中用于 MCR 的激活，随后才被整合到固氮酶和类似固氮酶的系统中。这一结论为固氮酶的演化研究提供了全新的视角。

在研究结论和讨论部分，研究人员验证了纯化的复合物可通过 ATP 依赖过程激活 MCR，但其激活效率与成熟 MCR 相比仍然较低，这表明可能存在其他尚未明确的辅助因子，影响着中镍离子的有效还原。A2 组件在激活过程中的作用不仅是稳定激活复合物，还可能通过结合和水解 ATP 来调节的氧化还原电位。此外，研究中观察到的 MCR 不同酶促状态，为其催化机制提供了新的见解，揭示了催化机制与激活过程之间的潜在联系。最重要的是，研究发现的 [8Fe - 9S - C] 簇在 MCR 激活复合物中的存在及可能的演化起源，填补了固氮酶演化研究中的关键空白，为深入理解生物固氮和甲烷生成的分子机制奠定了坚实基础，也为相关生物工程领域的研究提供了重要的理论依据。