Time-Resolved X-ray Crystallography of Dynamics in Cysteine-Dependent Enzymes

半胱氨酸依赖性酶动力学的时间分辨 X 射线晶体学

基本信息

  • 批准号:
    10099548
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 29.6万
  • 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:
    2020-09-20 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT Catalysis by cysteine-dependent enzymes is required for many essential biochemical pathways, including central metabolism, redox homeostasis, and cellular signaling. Derangements in these pathways occur in many disease states and targeting reactive cysteine residues is an emerging approach for developing potent new drugs. All cysteine-dependent enzymes are transiently modified during catalysis, however little is known about how cysteine modifications alter the structure and functional dynamics of proteins. We will use newly developed time-resolved serial crystallography methods to characterize functionally important non-equilibrium motions in the cysteine-dependent enzyme isocyanide hydratase (ICH) during catalysis. ICH is the principal enzyme that detoxifies isocyanide natural products that possess antibiotic, antiviral, and anticancer properties. Our preliminary data show that transient cysteine modification during ICH catalysis activates a non-equilibrium protein dynamics that can be mapped in atomic detail by mix-and-inject serial X-ray crystallography. The objective of this proposal is to develop and apply new models of catalysis-activated non-equilibrium motions in ICH by analyzing the unprecedentedly information-rich datasets now available from mix-and-inject serial crystallography experiments. We will use serial crystallography and computational approaches to determine how transient modification of the active site cysteine thiolate activates protein motions that involve the whole protein, are asymmetric in the ICH dimer, and are responsible for kinetic heterogeneity in two active sites of the ICH dimer. We have created mutations that alter the equilibrium ICH conformational ensemble, impair catalysis, and diminish the ability of ICH to protect bacteria from isocyanides. Using serial crystallography and enzyme kinetics, we will characterize how these mutations alter allosteric motions during ICH catalysis and prevent efficient intermediate hydrolysis. Finally, we generalize a model of enzyme motions facilitated by conformational strain by determining the role of unusual side-chain and backbone conformational strain in catalysis by a distant ICH homolog that diffracts X-rays to ultrahigh resolution. Combining computation, serial crystallography, and enzyme kinetics, we will determine how conformational strain evolves during ICH catalysis in unprecedented detail. In total, our work will elucidate how catalytic cysteine modification alters conformational ensembles and non-equilibrium motions in enzymes. This work will also drive urgently needed advances in synchrotron serial crystallography methodology in order to dramatically expand the accessibility of these new structural biological techniques.
抽象的 许多必需的生化途径需要用半胱氨酸依赖性酶进行催化 中央代谢,氧化还原稳态和细胞信号传导。这些途径中发生的危险发生在 许多疾病状态和靶向反应性半胱氨酸残基是一种发展有效的方法 新药。所有半胱氨酸依赖性酶在催化过程中均经过瞬时修饰,但鲜为人知 关于半胱氨酸的修饰如何改变蛋白质的结构和功能动力学。我们将使用新的 开发的时间分辨串行晶体学方法,以表征功能上重要的非平衡性 催化过程中半胱氨酸依赖性酶异氰化物水合物(ICH)中的运动。 ICH是校长 具有抗生素,抗病毒和抗癌特性的异氰化物天然产物排毒的酶。 我们的初步数据表明,ICH催化过程中的短暂性半胱氨酸修饰会激活非平衡性 蛋白质动力学可以通过混合串行X射线晶体学用原子细节映射。这 该提案的目的是开发和应用新的催化激活非平衡运动模型 通过分析目前可从混合串行中获得的前所未有的信息丰富的数据集来进行ICH 晶体学实验。我们将使用串行晶体学和计算方法来确定 活性位点半胱氨酸硫醇酯的瞬时修饰如何激活涉及整个的蛋白质运动 蛋白质在ICH二聚体中是不对称的,并且负责在两个活性位点的动力学异质性 ICH二聚体。我们创建了改变平衡ICH构象合奏的突变 催化,并降低ICH保护细菌免受异氰酸酯的能力。使用串行晶体学和 酶动力学,我们将表征这些突变如何改变ICH催化过程中的变构运动 预防有效的中间水解。最后,我们概括了一个促进的酶运动模型 通过确定异常侧链和主链构象应变的作用来构象应变 通过遥远的ICH同源物进行催化,该同源物将X射线衍射为超高分辨率。结合计算,串行 晶体学和酶动力学,我们将确定ICH催化过程中构象应变如何演变 史无前例的细节。总的来说,我们的工作将阐明催化半胱氨酸的改变如何改变 酶中的构象合奏和非平衡运动。这项工作也将迫切需要 同步加速器串行晶体学方法的进步,以显着扩大 这些新的结构生物学技术。

项目成果

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