超安定な先祖代々のハロアルカンデハロゲナーゼの構造は、制限されたコンフォメーションダイナミクスを示している

Structures of hyperstable ancestral haloalkane dehalogenases show restricted conformational dynamics.

• Petra Babkova
• Zuzana Dunajova
• Radka Chaloupkova
• Jiri Damborsky
• David Bednar
• Martin Marek

抄録

祖先配列再構成は、現代の酵素の祖先を推測したり、酵素の構造機能関係を研究するための強力な方法です。私たちはこれまでに、この手法をHLD-IIのハロアルカンデハロゲナーゼ（HLD）に適用し、熱力学的に高度に安定化された酵素（24℃まで）を得ており、触媒特性が改善されていることを示してきました。ここでは、結晶構造解析と計算分子動力学シミュレーションを組み合わせて、先祖代々のHLDが新規な触媒特性を持つより強固な酵素になったメカニズムについての洞察を得ることができました。再構成された祖先は、いくつかのループの逸脱を除き、子孫と同様の構造トポロジーを示した。驚くべきことに、分子動力学シミュレーションの結果、先祖代々の酵素は単一の状態を好むのに対し、現代の酵素は2つの異なる状態を採用しているのとは対照的に、制限された構造ダイナミクスを明らかにした。このような制限されたダイナミクスは、その例外的な安定化と関連している可能性がある。この研究は、頑健なタンパク質触媒を得るために広く用いられている先祖代々の配列再構成によるタンパク質の安定化についての分子的洞察を提供するものである。

Ancestral sequence reconstruction is a powerful method for inferring ancestors of modern enzymes and for studying structure-function relationships of enzymes. We have previously applied this approach to haloalkane dehalogenases (HLDs) from the subfamily HLD-II and obtained thermodynamically highly stabilized enzymes (Δ up to 24 °C), showing improved catalytic properties. Here we combined crystallographic structural analysis and computational molecular dynamics simulations to gain insight into the mechanisms by which ancestral HLDs became more robust enzymes with novel catalytic properties. Reconstructed ancestors exhibited similar structure topology as their descendants with the exception of a few loop deviations. Strikingly, molecular dynamics simulations revealed restricted conformational dynamics of ancestral enzymes, which prefer a single state, in contrast to modern enzymes adopting two different conformational states. The restricted dynamics can potentially be linked to their exceptional stabilization. The study provides molecular insights into protein stabilization due to ancestral sequence reconstruction, which is becoming a widely used approach for obtaining robust protein catalysts.

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