GSAMにおけるエネルギーフローとインターサブユニットシグナリング：非平衡分子動力学研究

Energy flow and intersubunit signalling in GSAM: A non-equilibrium molecular dynamics study.

• C Harder-Viddal
• R M Roshko
• J Stetefeld

抄録

クロロフィルの生合成に重要な酵素であるグルタミン酸-1-セミアルデヒドアミノムターゼ(GSAM)を用いて、熱勾配の付与によって誘起される振動エネルギー流の非平衡分子動力学シミュレーションを行い、エネルギー輸送経路を同定し、機能ダイナミクスを調整するための潜在的なアロステリックコミュニケーションネットワークとしての役割、特に2つの活性部位のゲートループの運動に見られる負の協調性を明らかにした。熱拡散の完全原子論的MDシミュレーションは、GROMACSシミュレーションパッケージを使用して完全に溶解したGSAM酵素上で実行され、タンパク質の残りの部分と溶媒浴を保持しながら、様々な活性部位ターゲットリガンド（最初は、触媒中間体と補因子）を加熱し、観測ウィンドウ上で時間の関数としてすべての酵素残基の温度を監視することによって行われた。エネルギーは、比較的少数の離散的な残基鎖に蓄積されることが観察され、そのほとんどが特定の構造または生化学的機能に寄与しています。熱的に活性な鎖のすべての間の熱的結合は、特定のペアの鎖を分離し、一方は初期の原子配置で凍結した状態で、他方は熱的に反応しない状態で、ペアの熱拡散シミュレーションを行うことによって確立されました。このようにして、一方の活性部位から連続する残基のネットワーク（多くは進化的に保存されており、水素結合で結ばれている）を通って、もう一方の活性部位、最終的にはもう一方のゲーティングループに至る振動エネルギーの流れの複数の経路をマップ化することができた。

Non-equilibrium molecular dynamics simulations of vibrational energy flow induced by the imposition of a thermal gradient have been performed on the μ2-dimeric enzyme glutamate-1-semialdehyde aminomutase (GSAM), the key enzyme in the biosynthesis of chlorophyll, in order to identify energy transport pathways and to elucidate their role as potential allosteric communication networks for coordinating functional dynamics, specifically the negative cooperativity observed in the motion of the two active site gating loops. Fully atomistic MD simulations of thermal diffusion were executed with a GROMACS simulation package on a fully solvated GSAM enzyme by heating various active site target ligands (initially, catalytic intermediates and cofactors) to while holding the remainder of the protein and the solvent bath at and monitoring the temperature of all the enzyme residues as a function of time over a observation window. Energy is observed to be deposited in a relatively small number of discrete chains of residues most of which contribute to specific structural or biochemical functionality. Thermal linkages between all thermally active chains were established by isolating a specific pair of chains and performing a thermal diffusion simulation on the pair, one held at and the other at , with the rest of the protein frozen in its initial atomic configuration and thus thermally unresponsive. Proceeding in this way, it was possible to map out multiple pathways of vibrational energy flow leading from one of the active sites through a network of contiguous residues, many of which were evolutionarily conserved and linked by hydrogen bonds, into the other active site and ultimately to the other gating loop.

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