本研究では、Methanosarcina mazei のグルタミンシンテターゼ(GlnA1)の活性化機構を明らかにした。
まず、質量光度計(MP)を用いた解析により、2-オキソグルタル酸(2-OG)の濃度依存的にGlnA1がモノマー/ダイマーからドデカマー構造に組み上がることが示された。2-OGの結合親和性は0.75 mMと算出された。一方、GlnK1タンパク質の存在下では2-OGによるドデカマー形成や酵素活性への影響は見られなかった。
次に、クライオ電子顕微鏡(cryo-EM)解析により、2-OG結合部位がサブユニット間の界面に位置し、2-OG結合によりドデカマー形成が協同的に促進されることが明らかになった。さらに、2-OG結合に伴う構造変化により、触媒部位が活性型の遷移状態構造に変換されることが示された。
一方、グルタミンによる強い阻害は、ドデカマー構造の解離ではなく、触媒部位への結合によるアロステリック阻害機構によるものと考えられる。
以上より、M. mazei GlnA1は2-OGによる活性化ドデカマー形成と、グルタミンによる阻害という、迅速で可逆的な調節機構を有することが明らかになった。これは他の細菌や古細菌のグルタミンシンテターゼとは大きく異なる特徴的な調節機構である。
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