Cấu trúc tinh thể của esterase siêu nhiệt EstE1 và mối quan hệ giữa dimer hóa và tính ổn định nhiệt của nó
Tóm tắt
EstE1 là một esterase siêu nhiệt thuộc gia đình lipase nhạy cảm với hormone và được phân lập lần đầu tiên thông qua việc sàng lọc chức năng từ một thư viện metagenomic được tạo ra từ mẫu môi trường nhiệt độ cao. Các dimer và oligomer có thể đã được chọn lọc tiến hóa trong các vi sinh vật ưa nhiệt vì sự tương tác giữa các tiểu đơn vị có thể mang lại tính ổn định nhiệt cho protein. Các cơ chế phân tử của việc ổn định nhiệt của esterase cực kỳ ổn định này vẫn chưa được hiểu rõ do thiếu thông tin cấu trúc.
Chúng tôi báo cáo lần đầu tiên cấu trúc tinh thể của EstE1 với độ phân giải 2.1-Å. Cấu trúc ba chiều của EstE1 thể hiện một lớp α/β hydrolase cổ điển với một chiếc lá beta paralel ở giữa, được bao quanh bởi các xoắn alpha ở cả hai bên. Các dư lượng Ser154, Asp251, và His281 tạo thành motif ba phân tử xúc tác thường thấy trong các α/β hydrolase khác. EstE1 tồn tại dưới dạng một dimer được hình thành nhờ các tương tác kị nước và cầu muối. Quang phổ phân cực hình tròn và phân tích động học inactivation nhiệt của các đột biến EstE1, được tạo ra thông qua đột biến chỉ định tại chỗ dựa trên cấu trúc của các dư lượng amino acid tham gia vào dimer hóa EstE1, cho thấy rằng các tương tác kị nước thông qua Val274 và Phe276 trên sợi β8 của mỗi monomer đóng vai trò chính trong việc dimer hóa EstE1. Ngược lại, các cầu muối giữa các phân tử đóng góp ít hơn đáng kể vào quá trình dimer hóa và tính ổn định nhiệt của EstE1.
Những kết quả của chúng tôi gợi ý rằng các tương tác kị nước giữa các phân tử là điều cần thiết cho tính siêu ổn định nhiệt của EstE1. Cơ chế phân tử cho phép EstE1 chịu được nhiệt độ cao sẽ cung cấp hướng dẫn cho việc thiết kế hợp lý một esterase/lipase ổn định nhiệt bằng cách sử dụng các enzyme lipolytic có cấu trúc tương tự như EstE1.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Bornscheuer UT: Methods to increase enantioselectivity of lipases and esterases. Curr Opin Biotechnol 2002, 13(6):543–547. 10.1016/S0958-1669(02)00350-6
Moore JC, Arnold FH: Directed evolution of a para-nitrobenzyl esterase for aqueous-organic solvents. Nat Biotechnol 1996, 14(4):458–467. 10.1038/nbt0496-458
Altaner C, Saake B, Tenkanen M, Eyzaguirre J, Faulds CB, Biely P, Viikari L, Siika-aho M, Puls J: Regioselective deacetylation of cellulose acetates by acetyl xylan esterases of different CE-families. J Biotechnol 2003, 105(1–2):95–104. 10.1016/S0168-1656(03)00187-1
Jaeger KE, Dijkstra BW, Reetz MT: Bacterial biocatalysts: molecular biology, three-dimensional structures, and biotechnological applications of lipases. Annu Rev Microbiol 1999, 53: 315–351. 10.1146/annurev.micro.53.1.315
Rhee JK, Ahn DG, Kim YG, Oh JW: New thermophilic and thermostable esterase with sequence similarity to the hormone-sensitive lipase family, cloned from a metagenomic library. Appl Environ Microbiol 2005, 71(2):817–825. 10.1128/AEM.71.2.817-825.2005
Haki GD, Rakshit SK: Developments in industrially important thermostable enzymes: a review. Bioresour Technol 2003, 89(1):17–34. 10.1016/S0960-8524(03)00033-6
Arpigny JL, Jaeger KE: Bacterial lipolytic enzymes: classification and properties. Biochem J 1999, 343 Pt 1: 177–183. 10.1042/0264-6021:3430177
Rhee JK, Kim DY, Ahn DG, Yun JH, Jang SH, Shin HC, Cho HS, Pan JG, Oh JW: Analysis of the thermostability determinants of hyperthermophilic esterase EstE1 based on its predicted three-dimensional structure. Appl Environ Microbiol 2006, 72(4):3021–3025. 10.1128/AEM.72.4.3021-3025.2006
Hotta Y, Ezaki S, Atomi H, Imanaka T: Extremely stable and versatile carboxylesterase from a hyperthermophilic archaeon. Appl Environ Microbiol 2002, 68(8):3925–3931. 10.1128/AEM.68.8.3925-3931.2002
Manco G, Giosue E, D'Auria S, Herman P, Carrea G, Rossi M: Cloning, overexpression, and properties of a new thermophilic and thermostable esterase with sequence similarity to hormone-sensitive lipase subfamily from the archaeon Archaeoglobus fulgidus. Arch Biochem Biophys 2000, 373(1):182–192. 10.1006/abbi.1999.1497
Rhee JK, Kim DY, Ahn DG, Yun JH, Jang SH, Shin HC, Cho HS, Pan JG, Oh JW: Analysis of the Thermostability Determinants of Hyperthermophilic Esterase EstE1 Based on Its Predicted Three-Dimensional Structure. Appl Environ Microbiol 2006, 72(4):3021–3025. 10.1128/AEM.72.4.3021-3025.2006
Vonrhein C, Bonisch H, Schafer G, Schulz GE: The structure of a trimeric archaeal adenylate kinase. J Mol Biol 1998, 282(1):167–179. 10.1006/jmbi.1998.2003
Singleton M, Isupov M, Littlechild J: X-ray structure of pyrrolidone carboxyl peptidase from the hyperthermophilic archaeon Thermococcus litoralis. Structure 1999, 7(3):237–244. 10.1016/S0969-2126(99)80034-3
Kirino H, Aoki M, Aoshima M, Hayashi Y, Ohba M, Yamagishi A, Wakagi T, Oshima T: Hydrophobic interaction at the subunit interface contributes to the thermostability of 3-isopropylmalate dehydrogenase from an extreme thermophile, Thermus thermophilus. Eur J Biochem 1994, 220(1):275–281. 10.1111/j.1432-1033.1994.tb18623.x
Kelly CA, Nishiyama M, Ohnishi Y, Beppu T, Birktoft JJ: Determinants of protein thermostability observed in the 1.9-A crystal structure of malate dehydrogenase from the thermophilic bacterium Thermus flavus. Biochemistry 1993, 32(15):3913–3922. 10.1021/bi00066a010
Tanaka Y, Tsumoto K, Yasutake Y, Umetsu M, Yao M, Fukada H, Tanaka I, Kumagai I: How oligomerization contributes to the thermostability of an archaeon protein. Protein L-isoaspartyl-O-methyltransferase from Sulfolobus tokodaii. J Biol Chem 2004, 279(31):32957–32967. 10.1074/jbc.M404405200
Brunger AT, Adams PD, Clore GM, DeLano WL, Gros P, Grosse-Kunstleve RW, Jiang JS, Kuszewski J, Nilges M, Pannu NS, Read RJ, Rice LM, Simonson T, Warren GL: Crystallography & NMR system: A new software suite for macromolecular structure determination. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 1998, 54(Pt 5):905–921. 10.1107/S0907444998003254
Ollis DL, Cheah E, Cygler M, Dijkstra B, Frolow F, Franken SM, Harel M, Remington SJ, Silman I, Schrag J, et al.: The alpha/beta hydrolase fold. Protein Eng 1992, 5(3):197–211. 10.1093/protein/5.3.197
De Simone G, Galdiero S, Manco G, Lang D, Rossi M, Pedone C: A snapshot of a transition state analogue of a novel thermophilic esterase belonging to the subfamily of mammalian hormone-sensitive lipase. J Mol Biol 2000, 303(5):761–771. 10.1006/jmbi.2000.4195
De Simone G, Menchise V, Manco G, Mandrich L, Sorrentino N, Lang D, Rossi M, Pedone C: The crystal structure of a hyper-thermophilic carboxylesterase from the archaeon Archaeoglobus fulgidus. J Mol Biol 2001, 314(3):507–518. 10.1006/jmbi.2001.5152
Wei Y, Contreras JA, Sheffield P, Osterlund T, Derewenda U, Kneusel RE, Matern U, Holm C, Derewenda ZS: Crystal structure of brefeldin A esterase, a bacterial homolog of the mammalian hormone-sensitive lipase. Nature Structural Biology 1999, 6(4):340–345. 10.1038/7576
Heikinheimo P, Goldman A, Jeffries C, Ollis DL: Of barn owls and bankers: a lush variety of [alpha]/[beta] hydrolases. Structure 1999, 7(6):R141-R146. 10.1016/S0969-2126(99)80079-3
Nardini M, Dijkstra BW: [alpha]/[beta] Hydrolase fold enzymes: the family keeps growing. Current Opinion in Structural Biology 1999, 9(6):732–737. 10.1016/S0959-440X(99)00037-8
Duy C, Fitter J: Thermostability of irreversible unfolding alpha-amylases analyzed by unfolding kinetics. J Biol Chem 2005, 280(45):37360–37365. 10.1074/jbc.M507530200
Bourne PC, Isupov MN, Littlechild JA: The atomic-resolution structure of a novel bacterial esterase. Structure 2000, 8(2):143–151. 10.1016/S0969-2126(00)00090-3
Thompson MJ, Eisenberg D: Transproteomic evidence of a loop-deletion mechanism for enhancing protein thermostability. Journal of Molecular Biology 1999, 290(2):595–604. 10.1006/jmbi.1999.2889
Vieille C, Zeikus GJ: Hyperthermophilic enzymes: sources, uses, and molecular mechanisms for thermostability. Microbiol Mol Biol Rev 2001, 65(1):1–43. 10.1128/MMBR.65.1.1-43.2001
Dill KA: Dominant forces in protein folding. Biochemistry 1990, 29(31):7133–7155. 10.1021/bi00483a001
Jaenicke R, Lilie H: Folding and association of oligomeric and multimeric proteins. Adv Protein Chem 2000, 53: 329–401.
Jaenicke R, Bohm G: The stability of proteins in extreme environments. Curr Opin Struct Biol 1998, 8(6):738–748. 10.1016/S0959-440X(98)80094-8
Koh E, Kim T, Cho HS: Mean curvature as a major determinant of beta-sheet propensity. Bioinformatics 2006, 22(3):297–302. 10.1093/bioinformatics/bti775
Berezovsky IN, Shakhnovich EI: Physics and evolution of thermophilic adaptation. Proc Natl Acad Sci U S A 2005, 102(36):12742–12747. 10.1073/pnas.0503890102
Byun JS, Rhee JK, Kim DU, Oh JW, Cho HS: Crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of EstE1, a new and thermostable esterase cloned from a metagenomic library. Acta Crystallograph Sect F Struct Biol Cryst Commun 2006, 62(Pt 2):145–147. 10.1107/S1744309106000832
Terwilliger TC: Maximum-likelihood density modification using pattern recognition of structural motifs. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 2001, 57(Pt 12):1755–1762. 10.1107/S0907444901013737
Terwilliger TC, Berendzen J: Bayesian correlated MAD phasing. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 1997, 53(Pt 5):571–579. 10.1107/S0907444997005398
Jones TA, Zou JY, Cowan SW, Kjeldgaard: Improved methods for building protein models in electron density maps and the location of errors in these models. Acta Crystallogr A 1991, 47 ( Pt 2): 110–119. 10.1107/S0108767390010224
Laskowski RA MAMW Moss DS, Thornton JM: PROCHECK: a program to check the stereochemical quality of protein structures. J Appl Crystallogr 1993, 26: 283–291. 10.1107/S0021889892009944