グルタチオンSトランスフェラーゼは、保存されているF136残基に点変異を導入することで、外来生物代謝活性を高めることができます

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Int. J. Biol. Macromol..2020 Jul;S0141-8130(20)33824-1. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.07.073.Epub 2020-07-11.

グルタチオンSトランスフェラーゼは、保存されているF136残基に点変異を導入することで、外来生物代謝活性を高めることができます

Engineering glutathione S-transferase with a point mutation at conserved F136 residue increases the xenobiotic-metabolizing activity.

Jupitara Kalita
Harish Shukla
Timir Tripathi

PMID: 32663558 DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.07.073.

抄録

グルタチオン転移酵素（GST）は、細胞の解毒、生合成、代謝、輸送などの幅広い生物学的プロセスで重要な役割を果たす多機能酵素である。GSTのダイナミックな構造と多様な機能的役割は、酵素工学や新しいバイオテクノロジーへの応用を探る上で重要な役割を果たしています。本研究では、保存されているF136残基の点突然変異によりGSTの機能が著しく向上したことを報告した。また、蛍光消光および速度論的データから、変異体酵素の基質である1-クロロ-2,4-ジニトロベンゼン（CDNB）およびグルタチオン（GSH）への結合親和性と触媒効率が向上することが示唆された。分子ドッキングにより、変異がGSHといくつかの結合部位残基との結合相互作用を改善することが示された。また、分子動力学シミュレーションの結果、変異型酵素は野生型酵素よりも構造剛性が向上していることが明らかになった。また、変異はGSH結合残基の残基相互作用ネットワーク（RIN）を変化させた。これらの現象は、突然変異が酵素の構造変化と支配的な微分運動をもたらし、それが酵素の剛性の増加とRINの変化につながることを示唆している。以上のことから、保存されているF136の一点変異を利用してGSTを操作することで、触媒効率が向上し、バイオ技術への応用が期待される異生物活性を大幅に向上させることができる。

Glutathione S-transferases (GSTs) are multifunctional enzymes that play major roles in a wide range of biological processes, including cellular detoxification, biosynthesis, metabolism, and transport. The dynamic structural scaffold and diverse functional roles of GSTs make them important for enzyme engineering and for exploring novel biotechnological applications. The present study reported a significant gain-of-function activity in GST caused by a point mutation at the conserved F136 residue. The fluorescence quenching and kinetic data suggested that both binding affinity and catalytic efficiency of the mutant enzyme to the substrates 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (CDNB), as well as the glutathione (GSH), is increased. Molecular docking showed that the mutation improves the binding interactions of the GSH with several binding-site residues. The simulation of molecular dynamics revealed that the mutant enzyme gained increased structural rigidity than the wild-type enzyme. The mutation also altered the residue interaction network (RIN) of the GSH-binding residues. These phenomena suggested that mutations led to conformational alterations and dominant differential motions in the enzyme that lead to increased rigidity and modifications in RIN. Collectively, engineering GST with a single point mutation at conserved F136 can significantly increase its xenobiotic activity by increasing the catalytic efficiency that may be exploited for biotechnological applications.