基因复制和融合是从更简单的祖先中产生新蛋白质的主要自然过程之一。例如，11000多个蛋白质组成互变异构酶超家族（TSF）中的五个主要亚群，就很好地说明了这一点。TSF成员有一个共同的β−α−β构建基块，通常具有氨基末端脯氨酸（Pro-1），作为催化残基起着关键作用。4-草酰胆酸互变异构酶（4-OT）亚群是五个亚群中最大的亚群，其成员由一个β−α−β单位（58-84个氨基酸）形成同六聚体或异六聚体，而其他四个亚群的成员由两个连续连接的β−α−β单位（110-150个氨基酸）形成同三聚体。这种结构安排的普遍性表明，在TSF的进化史中，基因复制和融合事件的发生导致了如今TSF结构和功能的多样化。有鉴于此，近期，University of Groningen的Gerrit J. Poelarends组采用这一策略，将混杂的同六聚体4-草酰胆酸互变异构酶（4-OT）进化为一种有效的生物催化剂，用于对映选择性Michael加成反应。
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
在该研究中，首先根据结构设计了串联融合4-OT，通过定向进化使相邻亚基的独立序列多样化。然后对融合的4-OT进行11轮定向进化，得到突变体4-OT（F11），该突变体对肉桂醛中硝基甲烷的Michael加成反应活性提高了320倍。
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此外，晶体学分析表明，4-OT（F11）具有一种不同寻常的不对称三聚体结构，其中一个单体相对于其他单体翻转180度。这种打破结构对称性的基因复制和融合策略很可能成为酶工程工具箱不可或缺的资产，在寡聚蛋白工程中得到广泛应用。
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参考文献：Gene Fusion and Directed Evolution to Break Structural Symmetry and Boost Catalysis by an Oligomeric C-C Bond-Forming Enzyme
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202113970
原文作者：Guangcai Xu†, Andreas Kunzendorf†, Michele Crotti, Henriëtte J. Rozeboom, Andy-Mark W. H. Thunnissen and Gerrit J. Poelarends*
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