1月12日，国际学术期刊Cell Discovery在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）丁建平研究组的最新研究成果“Structure, substrate specificity, and catalytic mechanism of human D-2-HGDH and insights into pathogenicity of diseases associated mutations”。该工作揭示了人源FAD依赖的D-2-羟戊二酸脱氢酶（D-2-HGDH）对底物特异性识别和催化反应的分子机制，阐述了D-2-HGDH突变体在遗传学疾病D-2-羟戊二酸尿酸症发生中的作用。
2-羟戊二酸（2-HG）是正常细胞代谢过程中一些酶促反应的副产物，根据连有羟基的第二位碳原子的手性不同，分为D型和L型。体内2-HG的过度积累会导致2-羟基戊二酸尿症（2-HGA），并与多种恶性肿瘤相关。人线粒体中存在二种功能酶—D-和L-2-HG脱氢酶（D-和L-2-HGDH），它们以FAD为辅酶分别催化D-和L-2-HG氧化脱氢生成2-OG，从而将细胞内的2-HG含量保持在一个较低的水平（约<100mM）。2-HGA是一种罕见的常染色体隐性遗传神经代紊乱性疾病，以患者的血、尿及脑脊液中2-HG浓度升高为主要特点；临床上根据病人尿液中2-HG的种类，可以分为D-2-HGA、L-2-HGA以及混合型D,L-2-HGA三种类型。患者在临床上表现为不同程度的发育迟缓、智力减退、癫痫、脑部异常等症状，该病目前尚无有效的治疗手段。D-2-HGDH基因突变使得D-2-HGDH的功能损伤，导致D-2-HG的积累，进而引发I型D-2-HGA。异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）突变后获得新的催化活性，能将2-OG还原成D-2-HG，也导致D-2-HG在细胞中大量积累，引发II型D-2-HGA。另外，D-2-HGDH的基因突变也与弥散性大B细胞淋巴瘤的发生相关。目前，对D-2-HGDH特异性识别底物和发挥催化功能的分子机制、以及突变与疾病发生的关系还不清楚。
丁建平组博士研究生杨俊和朱涵文首次解析了人源D-2-HGDH结合FAD以及结合底物D-2-HG、D-苹果酸、D-乳酸、L-2-HG和2-OG的晶体结构。结构分析表明，D-2-HGDH包含一个FAD结合结构域、底物结合结构域、以及C-末端结构域；活性反应中心位于FAD结合结构域和底物结合结构域的界面上。进一步运用生化方法对参与辅酶和底物结合以及催化反应的关键氨基酸残基的功能进行了验证。基于结构和功能分析结果，揭示了D-2-HGDH对底物特异性识别和催化反应的分子机制，阐述了D-2-HGDH突变体在疾病发生中的作用。这一工作也为临床药物设计以及疾病治疗提供了结构基础和理论依据。
丁建平组博士研究生杨俊和朱涵文为本文的共同第一作者，丁建平研究员为通讯作者。感谢国家蛋白质科学研究设施（上海）和上海同步辐射光源线站工作人员的帮助。该工作得到了国家自然科学基金委和中科院的经费支持。
D-2-HGDH的结构、对底物特异性识别以及突变对结构和功能的影响
