ヒト可溶性グアニル酸シクラーゼの触媒ドメインの構造ダイナミクスを探る

Probing the Structural Dynamics of the Catalytic Domain of Human Soluble Guanylate Cyclase.

• Rana Rehan Khalid
• Arooma Maryam
• Osman Ugur Sezerman
• Efstratios Mylonas
• Abdul Rauf Siddiqi
• Michael Kokkinidis

抄録

一酸化窒素（NO）シグナル伝達経路において、ヒト可溶性グアニル酸シクラーゼ（hsGC）は環状グアノシン一リン酸（cGMP）を合成し、cGMP特異的プロテインキナーゼ（PKG）やホスホジエステラーゼ（PDE）の制御に関与しています。不活性なhsGCシクラーゼ二量体の結晶構造は知られているが、hsGCの触媒機構に不可欠な基質特異的な内部運動についての情報はまだ不足している。本研究では、グアニシン三リン酸（GTP）とcGMPが複合化したhsGCシクラーゼヘテロダイマーを分子動力学シミュレーションにより解析し、hsGCの触媒活性に機能的な意味を持つコンフォメーションダイナミクスを調べました。その結果、hsGCヘテロ二量体のGTP結合複合体では、サブユニットα（α：h1）のらせん1がわずかに内側に移動し、サブユニットβ（β：h4）のらせん4に近づくことが明らかになった。このコンフォメーション変化は、サブユニットβ（β：Ｌ２）のループ２をサブユニットα（α：ｈ２）のヘリックス２に近づける。同様に、サブユニットα(α:L2)のループ2は、サブユニットβ(β:h2)のヘリックス2に近づく。これらの構造的事象は、環化のための閉じたポケット内でGTPを安定化し、ロックする。ｃＧＭＰ結合複合体では、α：Ｌ２はβ：ｈ２から離脱し、β：Ｌ２との相互作用を確立し、これは大域的な構造のコンパクト性の喪失をもたらす。さらに、ピロリン酸の放出に伴い、α:h1とβ:L2の相互作用が弱まり、結合ポケットのタイトパッキングが消失することを明らかにした。本研究では、GTPとcGMPがhsGC触媒ドメインに結合することによって誘導される構造変化について議論し、心血管疾患の治療のための新しい治療戦略を設計する上で貴重な情報を提供する。

In the nitric oxide (NO) signaling pathway, human soluble guanylate cyclase (hsGC) synthesizes cyclic guanosine monophosphate (cGMP); responsible for the regulation of cGMP-specific protein kinases (PKGs) and phosphodiesterases (PDEs). The crystal structure of the inactive hsGC cyclase dimer is known, but there is still a lack of information regarding the substrate-specific internal motions that are essential for the catalytic mechanism of the hsGC. In the current study, the hsGC cyclase heterodimer complexed with guanosine triphosphate (GTP) and cGMP was subjected to molecular dynamics simulations, to investigate the conformational dynamics that have functional implications on the catalytic activity of hsGC. Results revealed that in the GTP-bound complex of the hsGC heterodimer, helix 1 of subunit α (α:h1) moves slightly inwards and comes close to helix 4 of subunit β (β:h4). This conformational change brings loop 2 of subunit β (β:L2) closer to helix 2 of subunit α (α:h2). Likewise, loop 2 of subunit α (α:L2) comes closer to helix 2 of subunit β (β:h2). These structural events stabilize and lock GTP within the closed pocket for cyclization. In the cGMP-bound complex, α:L2 detaches from β:h2 and establishes interactions with β:L2, which results in the loss of global structure compactness. Furthermore, with the release of pyrophosphate, the interaction between α:h1 and β:L2 weakens, abolishing the tight packing of the binding pocket. This study discusses the conformational changes induced by the binding of GTP and cGMP to the hsGC catalytic domain, valuable in designing new therapeutic strategies for the treatment of cardiovascular diseases.