Механизм ингибирования D-циклосерином трансаминазы D-аминокислот из Haliscomenobacter hydrossis

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

D-Циклосерин ингибирует пиридоксаль-5′-фосфат (PLP)-зависимые ферменты с различной эффективностью в зависимости от организации активного центра фермента и механизма катализируемого превращения. D-Циклосерин взаимодействует с PLP-формой фермента подобно субстратам (аминокислотам) и преимущественно обратимо. Известно несколько продуктов взаимодействия PLP c D-циклосерином, при этом для некоторых ферментов образование стабильного ароматического гидроксиизоксазол-пиридоксамин-5′-фосфата при определённых значениях рН приводит к необратимому ингибированию. Цель данной работы состояла в определении механизма ингибирования D-циклосерином PLP-зависимой трансаминазы D-аминокислот из бактерии Haliscomenobacter hydrossis, которая характеризуется иной, чем у канонических трансаминаз D-аминокислот, организацией активного центра. Спектральными методами обнаружено несколько продуктов взаимодействия D-циклосерина и PLP в активном центре трансаминазы: оксим, образованный PLP и β-аминоокси-D-аланином; кетимин, образованный пиридоксамин-5′-фосфатом и D-циклосерином в циклической форме; и пиридоксамин-5′-фосфат. Образование гидроксиизоксазол-пиридоксамин-5′-фосфата не установлено. Методом рентгеноструктурного анализа получена пространственная структура комплекса трансаминазы с D-циклосерином. В активном центре трансаминазы обнаружен кетимин, образованный пиридоксамин-5′-фосфатом и циклической формой D-циклосерина. Кетимин находится в двух положениях, в которых он образует водородные связи с разными остатками активного центра. Кинетическими и спектральными методами показаны обратимость ингибирования D-циклосерином трансаминазы из H. hydrossis и восстановление активности фермента как избытком кетосубстрата, так и избытком кофактора. Полученные результаты подтверждают взаимопревращение аддуктов D-циклосерина и PLP, а также обратимость ингибирования D-циклосерином PLP-зависимых трансаминаз.

Об авторах

А. К Бакунова

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха

Email: a.bakunova@fbras.ru
119071 Москва, Россия

И. О Матюта

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха

Email: a.bakunova@fbras.ru
119071 Москва, Россия

А. Ю Николаева

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха;Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: a.bakunova@fbras.ru
119071 Москва, Россия;123182, Москва, Россия

К. М Бойко

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха

Email: a.bakunova@fbras.ru
119071 Москва, Россия

В. О Попов

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха;Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: a.bakunova@fbras.ru
119071 Москва, Россия;119991 Москва, Россия

Е. Ю Безсуднова

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха

Email: eubez@inbi.ras.ru
119071 Москва, Россия

Список литературы

  1. Peisach, D., Chipman, D. M., Van Ophem, P. W., Manning, J. M., and Ringe, D. (1998) D-Cycloserine inactivation of D-amino acid aminotransferase leads to a stable noncovalent protein complex with an aromatic cycloserine-PLP derivative, J. Am. Chem. Soc., 120, 2268-2274, doi: 10.1021/ja973353f.
  2. Fenn, T. D., Stamper, G. F., Morollo, A. A., and Ringe, D. (2003) A side reaction of alanine racemase: transamination of cycloserine, Biochemistry, 42, 5775-5783, doi: 10.1021/bi02702 2d.
  3. Amorim Franco, T. M., Favrot, L., Vergnolle, O., and Blanchard, J. S. (2017) Mechanism-based inhibition of the Mycobacterium tuberculosis branched-chain aminotransferase by d- and l-cycloserine, ACS Chem. Biol., 12, 1235-1244, doi: 10.1021/acschembio.7b00142.
  4. Dindo, M., Grottelli, S., Annunziato, G., Giardina, G., Pieroni, M., Pampalone, G., Faccini, A., Cutruzzolà, F., Laurino, P., Costantino, G., and Cellini, B. (2019) Cycloserine enantiomers are reversible inhibitors of human alanine:glyoxylate aminotransferase: implications for Primary Hyperoxaluria type 1, Biochem. J., 476, 3751-3768, doi: 10.1042/BCJ20190507.
  5. Malashkevich, V. N., Strop, P., Keller, J. W., Jansonius, J. N., and Toney, M. D. (1999) Crystal structures of dialkylglycine decarboxylase inhibitor complexes, J. Mol. Biol., 294, 193-200, doi: 10.1006/jmbi.1999.3254.
  6. Caminero, J. A., Sotgiu, G., Zumla, A., and Migliori, G. B. (2010) Best drug treatment for multidrug-resistant and extensively drug-resistant tuberculosis, Lancet. Infect. Dis., 10, 621-629, doi: 10.1016/S1473-3099(10)70139-0.
  7. De Chiara, C., Homšak, M., Prosser, G. A., Douglas, H. L., Garza-Garcia, A., Kelly, G., Purkiss, A. G., Tate, E. W., and de Carvalho, L. P. S. (2020) D-Cycloserine destruction by alanine racemase and the limit of irreversible inhibition, Nat. Chem. Biol., 16, 686-694, doi: 10.1038/s41589-020-0498-9.
  8. Priyadarshi, A., Lee, E. H., Sung, M. W., Nam, K. H., Lee, W. H., Kim, E. E., and Hwang, K. Y. (2009) Structural insights into the alanine racemase from Enterococcus faecalis, Biochim. Biophys. Acta, 1794, 1030-1040, doi: 10.1016/j.bbapap.2009.03.006.
  9. Noda, M., Matoba, Y., Kumagai, T., and Sugiyama, M. (2004) Structural evidence that alanine racemase from a D-cycloserine-producing microorganism exhibits resistance to its own product, J. Biol. Chem., 279, 46153-46161, doi: 10.1074/jbc.M404605200.
  10. Wu, D., Hu, T., Zhang, L., Chen, J., Du, J., Ding, J., Jiang, H., and Shen, X. (2008) Residues Asp164 and Glu165 at the substrate entryway function potently in substrate orientation of alanine racemase from E. coli: enzymatic characterization with crystal structure analysis, Protein Sci., 17, 1066-1076, doi: 10.1110/ps.083495908.
  11. Tassoni, R., van der Aart, L. T., Ubbink, M., van Wezel, G. P., and Pannu, N. S. (2017) Structural and functional characterization of the alanine racemase from Streptomyces coelicolor A3(2), Biochem. Biophys. Res. Commun., 483, 122-128, doi: 10.1016/j.bbrc.2016.12.183.
  12. Duff, S. M. G., Rydel, T. J., McClerren, A. L., Zhang, W., Li, J. Y., Sturman, E. J., Halls, C., Chen, S., Zeng, J., Peng, J., Kretzler, C. N., and Evdokimov, A. (2012) The enzymology of alanine aminotransferase (AlaAT) isoforms from Hordeum vulgare and other organisms, and the HvAlaAT crystal structure, Arch. Biochem. Biophys., 528, 90-101, doi: 10.1016/j.abb.2012.06.006.
  13. Bharath, S. R., Bisht, S., Harijan, R. K., Savithri, H. S., and Murthy, M. R. N. (2012) Structural and mutational studies on substrate specificity and catalysis of Salmonella typhimurium D-cysteine desulfhydrase, PLoS One, 7, e36267, doi: 10.1371/journal.pone.0036267.
  14. Braunstein, A. E. (1973) Amino group transfer, The enzymes, (Boyer, P., ed.) Academic Press, N.Y., pp. 379-481, doi: 10.1016/S1874-6047(08)60122-5.
  15. Eliot, A. C., and Kirsch, J. F. (2004) Pyridoxal phosphate enzymes: mechanistic, structural, and evolutionary considerations, Annu. Rev. Biochem., 73, 383-415, doi: 10.1146/annurev.biochem.73.011303.074021.
  16. Toney, M. D. (2011) Controlling reaction specificity in pyridoxal phosphate enzymes, Biochim. Biophys. Acta., 1814, 1407-1418, doi: 10.1016/j.bbapap.2011.05.019.
  17. Soper, T. S., and Manning, J. M. (1981) Different modes of action of inhibitors of bacterial D-amino acid transaminase. A target enzyme for the design of new antibacterial agents, J. Biol. Chem., 256, 4263-4268, doi: 10.1016/s0021-9258(19)69428-7.
  18. Bakunova, A. K., Nikolaeva, A. Y., Rakitina, T. V., Isaikina, T. Y., Khrenova, M. G., Boyko, K. M., Popov, V. O., and Bezsudnova, E. Y. (2021) The uncommon active site of D-amino acid transaminase from Haliscomenobacter hydrossis: biochemical and structural insights into the new enzyme, Molecules, 26, 5053, doi: 10.3390/molecules26165053.
  19. Morrison, J. F., and Walsh, C. T. (1998) The behavior and significance of slow-binding enzyme inhibitors, Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol., 61, 201-301, doi: 10.1002/9780470123072.ch5.
  20. Winter, G., Waterman, D. G., Parkhurst, J. M., Brewster, A. S., Gildea, R. J., Gerstel, M., Fuentes-Montero, L., Vollmar, M., Michels-Clark, T., Young, I. D., Sauter, N. K., and Evans, G. (2018) DIALS: implementation and evaluation of a new integration package, Acta Crystallogr. Sect. D Struct. Biol., 74, 85-97, doi: 10.1107/S2059798317017235.
  21. Collaborative Computational Project, N. 4 (1994) The CCP4 suite: programs for protein crystallography, Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr., 50, 760-763, doi: 10.1107/S0907444994003112.
  22. Vagin, A., and Teplyakov, A. (1997) MOLREP: an automated program for molecular replacement, J. Appl. Crystallogr., 30, 1022-1025, doi: 10.1107/S0021889897006766.
  23. Murshudov, G. N., Skubák, P., Lebedev, A. A., Pannu, N. S., Steiner, R. A., Nicholls, R. A., Winn, M. D., Long, F., and Vagin, A. A. (2011) REFMAC 5 for the refinement of macromolecular crystal structures, Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr., 67, 355-367, doi: 10.1107/S0907444911001314.
  24. Emsley, P., and Cowtan, K. (2004) Coot: model-building tools for molecular graphics, Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr., 60, 2126-2132, doi: 10.1107/S0907444904019158.
  25. Krissinel, E., and Henrick, K. (2004) Secondary-structure matching (SSM), a new tool for fast protein structure alignment in three dimensions, Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr., 60, 2256-2268, doi: 10.1107/S0907444904026460.
  26. Beeler, T., and Churchich, J. E. (1976) Reactivity of the phosphopyridoxal groups of cystathionase, J. Biol. Chem., 251, 5267-5271, doi: 10.1016/S0021-9258(17)33156-3.
  27. Honikel, K. O., and Madsen, N. B. (1972) Comparison of the absorbance spectra and fluorescence behavior of phosphorylase b with that of model pyridoxal phosphate derivatives in various solvents, J. Biol. Chem., 247, 1057-1064, doi: 10.1016/S0021-9258(19)45615-9.
  28. Delbaere, L. T. J., Kallen, J., Markovic-Housley, Z., Khomutov, A. R., Khomutov, R. M., Karpeisky, M. Y., and Jansonius, J. N. (1989) Complexes of aspartate aminotransferase with hydroxylamine derivatives: spectral studies in solution and in the crystalline state, Biochimie, 71, 449-459, doi: 10.1016/0300-9084(89)90175-2.
  29. Okada, K., Hirotsu, K., Hayashi, H., and Kagamiyama, H. (2001) Structures of Escherichia coli branched-chain amino acid aminotransferase and its complexes with 4-methylvalerate and 2-methylleucine: induced fit and substrate recognition of the enzyme, Biochemistry, 40, 7453-7463, doi: 10.1021/bi010384l.
  30. Peisach, D., Chipman, D. M., Van Ophem, P. W., Manning, J. M., and Ringe, D. (1998) Crystallographic study of steps along the reaction pathway of D-amino acid aminotransferase, Biochemistry, 37, 4958-4967, doi: 10.1021/bi972884d.
  31. Marković-Housley, Z., Schirmer, T., Hohenester, E., Khomutov, A. R., Khomutov, R. M., Karpeisky, M. Y., Sandmeier, E., Christen, P., and Jansonius, J. N. (1996) Crystal structures and solution studies of oxime adducts of mitochondrial aspartate aminotransferase, Eur. J. Biochem., 236, 1025-1032, doi: 10.1111/j.1432-1033.1996.01025.x.
  32. Di Salvo, M. L., Contestabile, R., and Safo, M. K. (2011) Vitamin B(6) salvage enzymes: mechanism, structure and regulation, Biochim. Biophys. Acta, 1814, 1597-1608, doi: 10.1016/j.bbapap.2010.12.006.
  33. Thirstrup, K., Christensen, S., Møller, H. A., Ritzén, A., Bergström, A. L., Sager, T. N., and Jensen, H. S. (2011) Endogenous 2-oxoglutarate levels impact potencies of competitive HIF prolyl hydroxylase inhibitors, Pharmacol. Res., 64, 268-273, doi: 10.1016/j.phrs.2011.03.017.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».