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

1 Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Институт биохимии имени А.Н. Баха, 119071 Москва, Россия; электронная почта: a.bakunova@fbras.ru, eubez@inbi.ras.ru

2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182 Москва, Россия

3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 26.08.2022
После доработки 10.02.2023
Принята к публикации 11.02.2023

DOI: 10.31857/S0320972523050111

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: трансаминаза D‑аминокислот, D‑циклосерин, обратимое ингибирование, флуоресценция, рентгеноструктурный анализ.

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.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 19-14-00164) в части проведения кинетических экспериментов и кристаллизации комплекса, решения и уточнения структуры. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в части проведения спектральных исследований. Рентгеноструктурный эксперимент выполнен при поддержке Федерального космического агентства (проект КЭ (ЦР) «Кристаллизатор»).

Вклад авторов

А.К. Бакунова – планирование экспериментов; Е.Ю. Безсуднова и В.О. Попов – концепция и руководство работой; А.К. Бакунова, А.Ю. Николаева, И.О. Матюта, К.М. Бойко – проведение экспериментов; А.К. Бакунова, И.О. Матюта, К.М. Бойко, Е.Ю. Безсуднова – обсуждение результатов исследования; А.К. Бакунова, Е.Ю. Безсуднова – написание текста; А.К. Бакунова, К.М. Бойко, A.Ю. Николаева, Е.Ю. Безсуднова, В.О. Попов – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

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/bi027022d.

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.