2月24日，中国海洋大学海洋生命学院、深海圈层与地球系统前沿科学中心张玉忠教授团队与山东大学国家糖工程技术研究中心的李福川教授团队等合作，在Nature Communications（《自然·通讯》）在线发表了题为“Discovery of exolytic heparinases and their catalytic mechanism and potential application”（外切肝素酶的发现及其催化机制及应用潜力研究）的研究论文。张玉忠教授与李福川教授为该研究的共同通讯作者。
肝素（Heparin，HP）/硫酸乙酰肝素（Heparan sulfate，HS）是一类是由己糖醛酸和己糖胺组成的二糖重复单元连接而成的硫酸化聚阴离子直链多糖，是一类重要的糖胺聚糖，广泛存在于细胞膜表面、胞外基质及细胞质中。由于复杂多变的结构，使HP/HS能够与各种蛋白（如生长因子和成型素及其受体等）相互作用，从而参与一系列重要的生理和病理过程：如抗凝血、细胞黏附、炎症反应、细胞迁移、细胞分化、病原微生物感染、肿瘤发生发展等过程。自1916年被发现以来，HP及其低分子制剂作为最重要的抗凝剂已广泛应用于临床治疗。与此同时，高度复杂的结构严重阻碍了人们对HP/HS结构和功能的研究。
细菌来源的肝素酶（Heparinase，Hepase）是一类多糖裂解酶，可通过β-消除反应特异性催化HP/HS多糖链中葡萄糖胺和糖醛酸残基之间的糖苷键断裂，从而生成在非还原端含有4,5-不饱和糖醛酸残基的寡糖，是研究HP/HS结构和功能必不可少的工具酶。在本研究之前，已鉴定的肝素酶根据其底物特异性可分为三种类型：HepaseI，Hepase II和Hepase III，均为内切型裂解酶，而HP/HS糖链酶解测序所急需的外切型Hepase则始终未被发现和鉴定。
BIexoHep结构及“L”型反应通道示意图
本研究从细菌基因组中首次发现和鉴定了五个新型的肝素酶：BIexoHep，BCexoHep，BTexoHep，BFexoHep和PAexoHep，它们与已鉴定的肝素酶同源性极低。底物降解模式研究发现，该类酶对HS/HP的降解是通过从糖链的还原端依次切除二糖单位进行的，仅产生不饱和二糖产物，是典型的外切酶，被命名为exoHepase。对代表性酶BIexoHep的结构研究发现，该酶由一个N端小的β折叠结构域、中央（α/α）5桶状结构域和C端β-三明治结构域三部分组成。进一步对酶与底物复合物结构的研究发现，与已知的内切型Hepase不同，该类酶具有一个独特的“L”型半开放底物催化反应通道，该通道具有一个带正电的入口和带负电的出口，可以严格控制HS/HP糖链进入、降解和二糖产物的释放。此外，该研究还首次利用exoHepase初步建立了一种HP寡糖酶解测序方法。
BIexoHep外切模式示意图
本研究首次发现一个肝素外切酶家族，不仅填补了肝素酶领域的研究空白，也为HP/HS的结构和功能研究提供了亟需的工具酶，对新型糖胺聚糖降解酶特别是肝素酶的发现和研究具有重要意义。
本研究论文由中国海洋大学、山东大学、青岛海洋科学与技术试点国家实验室等单位相关学者合作完成，研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、山东省重大科技创新工程和泰山产业领军人才等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21441-8
