大腸菌リボヌクレオチド還元酵素のα/β界面における構造運動と水ネットワーク

Conformational Motions and Water Networks at the α/β Interface in E. coli Ribonucleotide Reductase.

• Clorice R Reinhardt
• Pengfei Li
• Gyunghoon Kang
• JoAnne Stubbe
• Catherine L Drennan
• Sharon Hammes-Schiffer

抄録

リボヌクレオチド還元酵素(RNR)は、4つのリボヌクレオチドすべてのデオキシリボヌクレオチドへの変換を触媒し、すべての生物のDNA合成に不可欠です。大腸菌Ia RNRの活性型は、活性型α2β2複合体を形成する2つのホモ二量体で構成されている。触媒作用は、界面でY356βとY731αが関与する約32Åのプロトン共役電子移動（PCET）経路上での長距離ラジカル転位によって開始されます。α/β界面におけるプロトン共役電子移動(PCET)経路の解明は、構造データの不足により長年の課題であった。ここでは、最近解決された活性型α2β2複合体の極低温電子顕微鏡構造に基づいて分子動力学シミュレーションを行い、界面水の構造と揺らぎ、PCET経路に沿った水素結合相互作用と界面残基のコンフォメーション運動を調べた。自由エネルギーシミュレーションの結果、Y731は、Y356との界面でのPCETを容易にするために界面を向いているフリップアウト構造と、Y730とのコリニアPCETを可能にするためにY730とのスタック構造の両方をサンプルすることができることがわかった。Y356とY731は界面の水分子と水素結合する相互作用を示し、いくつかの構造では架橋水分子を共有していることから、Y356とY731からのPCETの主なプロトンアクセプターは界面の水であることが示唆されます。Y731のコンフォメーションの柔軟性と、Y731とY356の界面水および水素結合水鎖との水素結合相互作用は、PCET経路に沿った効果的なラジカル移動に重要であると考えられる。これらのシミュレーションは生化学的および分光学的データと一致しており、RNRの基本的なメカニズムについて、これまで達成されていなかった原子レベルの知見を提供するものである。

Ribonucleotide reductases (RNRs) catalyze the conversion of all four ribonucleotides to deoxyribonucleotides and are essential for DNA synthesis in all organisms. The active form of E. coli Ia RNR is composed of two homodimers that form the active α2β2 complex. Catalysis is initiated by long-range radical translocation over a ~32 Å proton-coupled electron transfer (PCET) pathway involving Y356β and Y731α at the interface. Resolving the PCET pathway at the α/β interface has been a long-standing challenge due to the lack of structural data. Herein molecular dynamics simulations based on a recently solved cryogenic-electron microscopy structure of an active α2β2 complex are performed to examine the structure and fluctuations of interfacial water, as well as the hydrogen-bonding interactions and conformational motions of interfacial residues along the PCET pathway. Our free energy simulations reveal that Y731 is able to sample both a flipped-out conformation, where it points toward the interface to facilitate interfacial PCET with Y356, and a stacked conformation with Y730 to enable collinear PCET with this residue. Y356 and Y731 exhibit hydrogen-bonding interactions with interfacial water molecules and, in some conformations, share a bridging water molecule, suggesting that the primary proton acceptor for PCET from Y356 and from Y731 is interfacial water. The conformational flexibility of Y731 and the hydrogen-bonding interactions of both Y731 and Y356 with interfacial water and hydrogen-bonded water chains appear critical for effective radical translocation along the PCET pathway. These simulations are consistent with biochemical and spectroscopic data and provide previously unattainable atomic-level insights into the fundamental mechanism of RNR.