Regulation of Substrate Binding in the bc1 Complex

bc1 复合物中底物结合的调节

基本信息

  • 批准号:
    10203271
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.21万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-07-01 至 2024-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Abstract Ubiquinol-cytochrome c oxidoreductase (bc1 complex, complex III) is a key membrane enzyme involved in respiration. It is known to be one of the major producers of reactive oxygen species (ROS) in mitochondria. Our overarching hypothesis is that there are at least three overlooked bc1 regulations mechanisms involving cytochrome (cyt) c1. Specifically, our Aim I is to use a combination of computational and experimental techniques to test anticooperative substrate binding in the bc1 complex. This effect was suggested based on available X-ray crystal structures but was not experimentally tested. Our preliminary molecular dynamics (MD) simulations provide us with a testable structural mechanism which we will test experimentally. Our Aim II is to establish the role of naturally occurring trimethylation of Lys-77 by a unique and specific cyt c lysine methylatransferase (Ctm1) in yeast. Our hypothesis that this posttranslation modification regulates the strength of cation-pi interaction between Lys-77 of cyt c and universally conserved in species with Ctm1p Phe-132 in cyt c1. Finally, our Aim III is focused on testing a hypothesis that lipid membrane composition and lipid charge can regulate substrate binding affinity in the bc1 complex. This project will use a multi-pronged approached combining computational and experimental techniques to predict molecular level bc1 regulation mechanisms and to test them experimentally. We will use long all-atom MD simulations of bc1 in different lipid environments to predict structural changes associated with different occupancy of the substrate binding sites and to guide our experimental work on detergent-solubilized and nanodisc-embedded bc1. We will use isothermal calorimetry (ITC) to test substrate binding in vitro, and to measure binding stoichiometries, association constants, and thermodynamic parameters as a function of ionic strength and lipid charge. We will use small-angle X-ray scattering (SAXS) to independently verify the ITC results, to confirm the locations of substrate binding sites, and to construct low-resolution solution-state structures of the enzyme-substrate complexes. Laser-induced time-resolved optical spectroscopy will be used to measure changes in the charge transfer rates as response to changes in lipid environment and substrate binding regulation. Finally, we will use kinetic spectroscopy to study the roles of lipid membranes and intermonomer interactions within the bc1 complex dimer on the catalytic turnover rates and the rate of ROS production. Overall, this interdisciplinary approach will advance understanding of cyt bc1 regulation and will test the three predicted regulation mechanisms. In addition, this project will directly support each year research training of 4 undergraduate students interested in pursuing biomedical careers.
抽象的 泛素醇 - 卵形C氧化还原酶(BC1复合物,复合物III)是关键膜酶 参与呼吸。已知它是活性氧的主要生产国之一 (ROS)在线粒体中。我们的总体假设是至少有三个 被忽视的BC1法规机制涉及细胞色素(CYT)C1。具体来说,我们的 目的我是使用计算和实验技术的组合来测试 BC1复合物中的抗合作底物结合。根据 可用的X射线晶体结构,但未经实验测试。我们的初步分子 动力学(MD)模拟为我们提供了可测试的结构机制,我们将测试 实验。我们的目标II是确定Lys-77天然发生的三甲基化的作用 通过酵母中的独特而特异的细胞C赖氨酸甲基转移酶(CTM1)。我们的假设是 翻译后修饰调节Cyt的Lys-77之间的阳离子-PI相互作用的强度 C和CTM1P PHE-132在Cyt C1中的C和普遍保守。最后,我们的目标是 专注于检验脂质膜组成和脂质电荷的假设可以调节 BC1复合物中的底物结合亲和力。该项目将使用多方面的方法 结合计算和实验技术来预测分子水平BC1调控 机制并通过实验测试它们。我们将使用BC1的长期全部原子MD模拟 不同的脂质环境,以预测与不同占用相关的结构性变化 底物结合位点,并指导我们在洗涤剂 - 溶解的实验工作和 纳米盘填充的BC1。我们将使用等温量热法(ITC)来测试底物结合 体外,并测量结合化的石化图,关联常数和热力学 参数是离子强度和脂质电荷的函数。我们将使用小角度X射线 散射(SAX)独立验证ITC结果,以确认基板的位置 结合位点,并构建酶 - 底物的低分辨率溶液状态结构 复合物。激光诱导的时间分辨光谱将用于测量变化 在电荷传输速率中,作为对脂质环境变化和底物结合的响应的响应 规定。最后,我们将使用动力学光谱研究脂质膜和 BC1络合物二聚体内的工程师相互作用在催化速度和 ROS产生速率。总体而言,这种跨学科方法将提高对Cyt的了解 BC1调节并将测试三种预测的调节机制。此外,这个项目 每年都会直接支持4名对4个有兴趣的本科生的研究培训 从事生物医学职业。

项目成果

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