Discovery and mechanism of a pH-dependent dual-binding-site switch in the interaction of a pair of protein modules

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Yao X, Chen C, Wang Y, Dong S, Liu YJ, Li Y, Cui Z, Gong W, Perrett S, Yao L, Lamed R, Bayer EA, Cui Q, Feng Y.

Sci Adv. 2020 Oct 23;6(43):eabd7182.

doi: 10.1126/sciadv.abd7182. PMID: 33097546.

Discovery and mechanism of a pH-dependent dual-binding-site switch in the interaction of a pair of protein modules
A pH-dependent dual-binding-site switch in a pair of protein modules is discovered, and the molecular mechanism is elucidated.

 タンパク質のpH依存性コンフォメーションスイッチは多くの生物学的プロセスに関与しており、pH依存性生体分子はバイオテクノロジーにおけるセンサーやスイッチとして開発することも可能である。タンパク質のほとんどのpH依存性構造変化は、タンパク質の設計や機能性生体材料の開発に有用な “オンオフ “スイッチをもたらす。新しいタイプのpH依存性タンパク質-タンパク質相互作用の発見は、タンパク質化学とバイオテクノロジーの両方の応用において非常に価値がある。

 私たちは、Clostridium acetobutylicum のセルラーゼ複合体「セルロソーム」の研究において、CaCohA2 と CaDoc0917 と名付けられた 2 つのモジュール(コヘシンとドッケリン)の相互作用が、通常とは異なる pH 依存性を示すことを発見した。ドッケリン上の2つのコヘシン結合部位は、pH4.8と7.5で一方から他方に切り替わるが、これには2桁の親和性の違いが伴い、このような現象はタンパク質-タンパク質相互作用ではこれまで報告されていなかった。

 セルロソームは、リグノセルロース分解のために嫌気性細菌から分泌される多酵素複合体である。セルロソームは、足場タンパク質(スキャフォールディン)のコヘシンモジュールと、酵素のドッケリンモジュールの相互作用によって組み立てられている。2種類の組み立てモジュールは、その配列やセルロソーム組み立てにおける機能により、タイプI、タイプII、タイプIIIに分類されている。C. acetobutylicum のコヘシンとドッケリンはタイプ I モジュールとしてアノテーションされているが、既知のタイプ I, II, III のセルロースソーム組立モジュールとは系統的に異なり、その構造や相互作用は広く研究されていない。一般的に、タイプIのモジュールは、二重相互作用モードを持っている。すなわち、ドッケリンは、180°回転することにより、2つの異なる方向にコヘシンを結合させるための2つの対称的なサイトを持っている。これらの二重相互作用モードは、セルロソームの可塑性と柔軟性に役割を果たしていると考えられている。しかし、一部のコヘシン-ドッケリン相互作用が単一結合モードを示す例外も発見されており、これがセルロースソームの制御的役割を果たすことが提案されている。しかし、コヘシン-ドッケリン相互作用のpH依存性はこれまで報告されていなかった。

 我々は、核磁気共鳴(NMR)と等温滴定熱量測定(ITC)を組み合わせて、CaCohA2-CaDoc0917相互作用のpH依存性の特徴を明らかにした。変異誘発、結晶構造決定、NMR滴定、ITC、分子動力学(MD)シミュレーションにより、pH依存性の構造的基盤とメカニズムを解明した。本研究は、2つの結合部位間のpH依存的なタンパク質-タンパク質相互作用のスイッチの最初の報告であり、今後のバイオテクノロジー開発への応用が期待される。

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