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アンモニアリアーゼのコンフォーメーションゲーティング
Conformational gating in ammonia lyases.
PMID: 32222547 DOI: 10.1016/j.bbagen.2020.129605.
抄録
背景:
アンモニアリアーゼは、工業的および生物医学的に関心の高い酵素である。アンモニアリアーゼの構造-力学-機能の関係を知ることは、これらの酵素が工業的・生物医学的に利用できる可能性を引き出す上で非常に重要です。
BACKGROUND: Ammonia lyases are enzymes of industrial and biomedical interest. Knowledge of structure-dynamics-function relationship in ammonia lyases is instrumental for exploiting the potential of these enzymes in industrial or biomedical applications.
方法:
本研究では、3-メチルアスパラギン酸アンモニアリアーゼ(MAL)をモデル系として、触媒ポケット近傍の構造変化を調べた。この研究では、マイクロ秒全原子分子動力学シミュレーションを用いて、次元削減技術を用いて、接触ネットワークと相関運動の観点から解析を行った。
METHODS: We investigated the conformational changes in the proximity of the catalytic pocket of a 3-methylaspartate ammonia lyase (MAL) as a model system. At this scope, we used microsecond all-atom molecular dynamics simulations, analyzed with dimensionality reduction techniques, as well as in terms of contact networks and correlated motions.
結果:
我々は、MALの構造に含まれる2つの調節要素、すなわち、β5-α2ループとらせん-ヘアピン-ループサブドメインを同定した。これらの調節要素は、「閉ざされた」状態から「開いた」状態に切り替わる構造変化を受けます。この再配列は、活性部位のアクセス性の変化と結びついています。β5-α2ループと螺旋状ヘアピンループサブドメインは、それらが開いた状態にあるときに活性部位が基質へのより多くのアクセス性を作る、タンパク質の表面から触媒部位へのトンネルの形成を調節する。
RESULTS: We identify two regulatory elements in the MAL structure, i.e., the β5-α2 loop and the helix-hairpin-loop subdomain. These regulatory elements undergo conformational changes switching from 'occluded' to 'open' states. The rearrangements are coupled to changes in the accessibility of the active site. The β5-α2 loop and the helix-hairpin-loop subdomain modulate the formation of tunnels from the protein surface to the catalytic site, making the active site more accessible to the substrate when they are in an open state.
結論:
我々の研究は、MALのらせん-ヘアピン-ループサブドメインは、最初にβ5-α2ループの変位を支持するために、分子内相互作用のサブセットを破る必要がある、シーケンシャルなメカニズムをピンポイントで指摘している。これら2つの要素の結合した構造変化は、触媒サイトのアクセス性を調節することに貢献しています。
CONCLUSIONS: Our work pinpoints a sequential mechanism, in which the helix-hairpin-loop subdomain of MAL needs to break a subset of intramolecular interactions first to favor the displacement of the β5-α2 loop. The coupled conformational changes of these two elements contribute to modulate the accessibility of the catalytic site.
一般的な意義:
このような分子機構は、同様の制御ループを持つ他のアンモニアリアーゼにおいても、幅広い関連性を持つ可能性がある。本研究では、アンモニアリアーゼの設計において、タンパク質のダイナミクスを考慮することが重要であることを示唆しています。
GENERAL SIGNIFICANCE: Similar molecular mechanisms can have broad relevance in other ammonia lyases with similar regulatory loops. Our results also imply that it is important to account for protein dynamics in the design of variants of ammonia lyases for industrial and biomedical applications.
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