Mechanisms of Copper Transport and Catalysis

铜的传输和催化机制

基本信息

  • 批准号:
    10397998
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 61.14万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-05-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Copper is an essential trace element utilized by eukaryotic cells as an enzymatic redox cofactor. At high concentrations the metal is toxic, and complex homeostatic mechanisms have developed to ensure that it is maintained at the correct physiological level. Prokaryotes such as gram negative pathogens have a diminished requirement for the metal, and show sensitivity to copper at levels well tolerated by mammalian cells. For this reason, macrophages utilize pathogenic copper toxicity as part of their defense against invaders while the latter combat the host-defense by upregulating their exporter machinery. Our research is focused on the mechanisms of copper transport and catalysis and is divided into three separate but overlapping projects. Project 1 examines the reaction mechanism of mononuclear monooxygenases exemplified by peptidylglycine monooxygenase (PHM), the only enzyme capable of installing the critical post-translational amide into peptide hormones. We have identified three important unanswered questions – (i) the pathway for electron transfer (ii) the chemical speciation of reaction intermediates and (iii) the mechanism of substrate triggering, and have designed an approach for interrogating each. Project 2 focuses on the mechanism of pathogenic copper export via a study of the CusCBAF exporter of E. coli. Here we use a novel labeling approach to track the flux of metal ions as they move through the pump. We build on recent results that have successfully determined the role CusF and CusB in metalating CusA, the rates of copper transfer from CusF to CusB, and the identity of the CusF-CusB complex as a shared ligand intermediate. Unanswered questions include the mechanism of CusF to CusA metal exchange, the role of metal-binding residues in selectivity and efficiency, and the function of the novel His2Phe Cu(I)/Ag(I) binding site in the CusS regulator. Project 3 takes our program into new territory by investigating structure/function of the newly discovered copper- dependent kinases MEK1/2 and ULK1/2 involved in cell signaling and tumorogenesis. The integrated approach to all three projects leverages the Pi's track record in developing toolsets that can interrogate the chemistry of copper, but particularly the Cu(I) state which reacts with oxygen, and is the form in which copper is trafficked in the cell. Two aspects of this effort are of particular utility: (i) development of metal-directed probes of Cu(I) coordinate structure utilizing x-ray absorption and emission spectroscopies and (ii) development of labeling strategies utilizing selenomethionine substitution coupled to Se K EXAFS. The expected outcome of the research is a better understanding of how biology leverages the fundamental chemistry of copper to achieve functionality, recognizing that function requires balance between the requirements for selective metalation, the structural determinants of catalysis, and pathogenic virulence induced by robust bacterial export pumps.
项目概要 铜是真核细胞用作酶氧化还原辅助因子的必需微量元素。 金属的浓度是有毒的,并且已经开发出复杂的稳态机制来确保 它保持在正确的生理水平。原核生物如革兰氏阴性病原体具有 对金属的需求减少,并且表现出对铜的敏感性,其耐受水平良好 因此,巨噬细胞利用致病性铜毒性作为其一部分。 防御入侵者,而入侵者则通过上调出口商来对抗宿主防御 我们的研究重点是铜的传输和催化机制,并分为以下几个部分: 分为三个独立但重叠的项目 项目 1 研究了反应机制。 单核单加氧酶,以肽酰甘氨酸单加氧酶 (PHM) 为例,这是唯一的酶 我们已经确定了三种能够将关键的翻译后酰胺安装到肽激素中的能力。 重要的未解答问题 – (i) 电子转移途径 (ii) 的化学形态 反应中间体和(iii)底物触发机制,并设计了一种方法 项目 2 的重点是通过研究致病性铜输出的机制。 大肠杆菌的 CusCBAF 出口商在这里,我们使用一种新颖的标记方法来跟踪金属离子的通量: 它们通过泵移动。我们以最近成功确定作用的结果为基础。 金属化 CusA 中的 CusF 和 CusB、铜从 CusF 转移到 CusB 的速率以及 CusF-CusB 复合物作为共享配体中间体尚未解答的问题包括: CusF 到 CusA 金属交换的机制、金属结合残基在选择性和 CusS 调节器项目 3 中新型 His2Phe Cu(I)/Ag(I) 结合位点的效率和功能。 通过研究新发现的铜的结构/功能,将我们的计划带入新领域 依赖激酶 MEK1/2 和 ULK1/2 参与细胞信号传导和肿瘤发生。 所有三个项目的方法都利用了 Pi 在开发工具集方面的记录,这些工具集可以询问 铜的化学性质,特别是与氧反应的 Cu(I) 态,其形式为 这项工作有两个方面特别有用:(i) 开发铜。 利用 X 射线吸收和发射的 Cu(I) 配位结构的金属定向探针 光谱学和(ii)利用硒代蛋氨酸取代耦合的标记策略的开发 Se K EXAFS 研究的预期结果是更好地了解生物学如何进行。 利用铜的基本化学来实现功能,认识到功能需要 选择性金属化的要求、催化的结构决定因素和 由强大的细菌输出泵诱导的致病毒力。

项目成果

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