原文作者：Deborah Fass & Sergey N。 Semenov
包含二硫鍵（disulfide）在內的分子交聯（molecular crosslink）能夠穩定蛋白質的三維結構，調節蛋白質的功能。除二硫鍵外，科學家又發現了另一種有調節作用的蛋白質交聯。
氨基酸的排列順序決定了蛋白質特有的結構和功能。組成蛋白質的氨基酸通常帶有化學修飾，特定氨基酸殘基間的交聯（crosslink）就是其中之一。二硫鍵是最為常見的交聯，其中兩個硫原子以共價鍵相連。Wensien等人［1］在《自然》上報道了一種全然不同的蛋白質交聯：由氧原子分別連線一個氮原子和一個硫原子。作者進一步指出，
此種N-O-S橋在先前報道的其他蛋白質結構中並未受到關注
。
淋球菌（neisseria gonorrhoeae）是性傳播疾病的致病菌之一。Wensien與同事在研究該菌的轉醛醇酶（tranaldolase）時發現，經純化的酶幾乎完全喪失活性，
而常用於切斷二硫鍵的還原劑卻能使酶活性復原
。
形成二硫鍵需要兩個空間上相鄰的半胱氨酸（cysteine）側鏈，儘管它們可能在一級結構中相距很遠。由於轉醛醇酶中有數個半胱氨酸殘基，作者推斷其中兩個形成二硫鍵而導致酶的失活。在將這些半胱氨酸逐一替換為其他氨基酸時，卻發現僅有一種突變蛋白抵抗了失活。假如使酶失活的二硫鍵確有其事，那麼
替換任意一個組成二硫鍵的半胱氨酸都理應產生以上效應
（儘管此簡化結論也有例外［2］），這究竟是為什麼呢？
Wensien 等人透過X射線晶體衍射（X-ray crystallography）獲得轉醛醇酶原子級解析度結構，解決了這一謎題。結構揭示出
一條連線半胱氨酸和賴氨酸
（lysine）
的N-O-S橋
，而並非兩個半胱氨酸間的二硫鍵（圖1）。問題在於N-O-S橋中的氧原子的來源既非賴氨酸，也非半胱氨酸，因為二者的側鏈分別包含一個氨基（NH2）和一個巰基（SH）。在不含交聯的還原態蛋白的晶體結構中，作者卻發現一個與這些側鏈相鄰的分子氧。據此，作者合理地
猜測N-O-S橋中的氧原子源自於氧氣分子
。
圖1 | 賴氨酸、半胱氨酸殘基間的橋的形成。
Wensien等［1］報道，淋球菌轉醛醇酶中含有一條由氧原子橋接氮原子（賴氨酸側鏈）與硫原子（半胱氨酸側鏈）的分子交聯。作者提出N-O-S橋是由氨基酸側鏈與分子氧（O2）反應所得。通常情況下N-O-S模體並不穩定，其穩定性有可能源自於周圍的蛋白質結構，而使用還原性試劑又可將其破壞。球形代表蛋白質的其他部分。
在蛋白質結構中發現N-O-S橋之所以重要，是因為能夠生成這種模體的非生物學反應是未知的。一個可能的例外是一種特殊的環狀芳香化合物［3］。對小分子來說，氮氧鍵的形成需要強氧化性條件［4］，但同時硫也有可能轉變至更高的氧化態，無法形成N-O-S橋。此外，含有N-O-S結構的小分子化合物有發生歧化反應（disproportionation）的風險，即相同的兩個分子彼此反應，生成兩個不同產物。
蛋白質中N-O-S橋的形成，或許是得益於半胱氨酸的巰基、賴氨酸的氨基與氧氣分子分別處在利於氧化反應發生的位置上。而周邊蛋白質結構所造成的空間位阻或能提高交聯的穩定性，也避免硫被進一步氧化
。
在幾種可能的機理中，作者傾向於認為半胱氨酸的硫原子與賴氨酸的側鏈氨基分別帶有羥基（OH）基團（見［1］附圖3b）。由於這種N-O-S橋十分新穎，而這項研究聚焦於結構生物學，關於其化學機理的重要細節仍需深入研究。具體而言，我們仍不清楚氧氣分子是如何被活化而後參與反應的。既然許多分子氧的化學反應都有自由基（radical）參與［5］，那麼考慮自由基反應作為形成N-O-S橋的機理便是順理成章的了。
交聯如何影響酶活性則是另一個需要解決的機理問題。由於交聯對轉醛醇酶催化部位的結構僅造成些微的改變，因此N-O-S橋抑制酶活性的原理並不顯著。除細微的結構差異之外，作者還觀察到交聯使得酶在熱誘導下更難展開。此結果並不令人意外，交聯減少了酶在結構上的波動，因而更難展開。
酶的催化活性
（catalytic activity）
有時需要更小範圍的結構波動，而交聯可能恰好限制了這種結構變化。
透過二硫鍵還是N-O-S橋調節酶的功能，二者在概念上有著重要的區別。
二硫鍵的形成是可逆的。
生物系統內，蛋白質中的二硫鍵不斷地生成、斷裂，是與其他生物分子內的二硫鍵或巰基進行“交換”的結果。
相反，N-O-S橋的生成和斷裂是兩個不同的化學反應，生成時消耗一個分子氧，斷裂時卻沒有氧放出。
此外，熱力學表明形成N-O-S橋的反應較難，斷裂卻容易。
因此推測在進化過程中，N-O-S橋被用於酶的選擇性活化，同時保留分子內的二硫鍵。
那麼N-O-S橋的獨特優勢是什麼？在何種場景下N-O-S橋比二硫鍵更有用？這些問題還有待探索。
發現新型蛋白質交聯的意義不止於對酶和N-O-S橋的研究。出人意料的是，在高解析度X射線資料可用的情況下，蛋白質結構模型的確立有時反而會更加困難。低解析度下，蛋白質構象和化學組成的變化可能被資料的噪音所覆蓋。而這些變化在高解析度下清晰可見，因而必須被解讀［6］。
高解析度的資料可能包含許多意想不到的化學結構，Wensien等人的研究將會啟發結構生物學家探究生物分子電子密度圖
（electron-density map）
中出現的“意料之外”。
長久以來，酶被認為是世界上最好的有機化學家。少了它們，許多反應幾乎不可能發生。而Wensien等人的發現表明，構成酶自身的共價鍵也能夠成為化學上的“反直覺”。
封面來源：Unsplash
參考文獻：
1。 Wensien， M。et al。 Naturehttps：//doi。org/10。1038/s41586-021-03513-3 （2021）。
2。 Mor-Cohen， R。Antioxid。 Redox。 Signal。
24
， 16–31 （2016）。
3。 Hassan， A。， Ibrahim， Y。 R。 & Shawky， A。 M。J。 Sulfur Chem。
28
， 211–222 （2007）。
4。 Challis， B。 C。 & Butler， A。 R。 inThe Chemistry of the Amino Group（ed。 Patai， S。） Ch。 6 （Interscience， 1968）。
5。 Sawyer， D。 T。Oxygen ChemistryCh。 5–6 （Oxford Univ。 Press， 1991）。
6。 Lang， P。 T。et al。 Protein Sci。
19
， 1420–1431 （2010）。
原文以Previously unknown type of protein crosslink discovered標題發表在2021年5月20日的《自然》的新聞與觀點版塊上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-01135-3
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