Ocorrência generalizada de lisina covalente

Nature Chemical Biology volume 18, páginas 368–375 (2022)Cite este artigo

25 mil acessos

20 citações

248 Altmétrico

Detalhes das métricas

Recentemente, relatamos a descoberta de uma troca redox lisina-cisteína em proteínas com uma ponte covalente nitrogênio-oxigênio-enxofre (NOS). Aqui, um levantamento sistemático de todo o banco de dados de estrutura proteica revela que as pontes NOS são interruptores redox onipresentes em proteínas de todos os domínios da vida e são encontradas em diversos motivos estruturais e variantes químicas. Em vários casos, as lisinas são observadas em ligação simultânea com duas cisteínas, formando uma ponte enxofre-oxigênio-nitrogênio-oxigênio-enxofre (SONOS) com um nitrogênio trivalente, que constitui uma ligação cruzada de ramificação nativa incomum. Em muitas proteínas, o switch NOS contém uma lisina funcionalmente essencial com papéis diretos na catálise enzimática ou na ligação de substratos, DNA ou efetores, ligando a química da lisina e a biologia redox como um princípio regulador. Os interruptores NOS/SONOS são frequentemente encontrados em proteínas de patógenos humanos e vegetais, incluindo o coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave (SARS-CoV-2), e também em muitas proteínas humanas com papéis estabelecidos na expressão gênica, sinalização redox e homeostase em processos fisiológicos e condições fisiopatológicas.

As espécies reativas de oxigênio (ROS) são centrais para a sinalização redox em todos os domínios da vida e controlam criticamente o crescimento celular, o desenvolvimento, o metabolismo, o envelhecimento e a resposta a condições de estresse, como, por exemplo, infecção por patógenos1,2,3,4. Em níveis elevados, as ERO induzem estresse oxidativo que tem sido implicado em uma infinidade de patologias, incluindo câncer, doenças neurodegenerativas, inflamação e condições autoimunes5,6. Os mecanismos moleculares subjacentes à sinalização redox e ao estresse oxidativo têm sido atribuídos principalmente a modificações químicas de resíduos de cisteína em proteínas sensíveis a redox, sendo as principais reações a formação de pontes dissulfeto entre duas cisteínas ou oxidação, glutationilação e nitrosilação de cisteínas individuais . Recentemente, relatamos a descoberta de um interruptor redox alostérico de lisina-cisteína com uma ponte NOS covalente que regula a atividade enzimática em resposta a mudanças nas condições redox (Fig. 1)9. Na enzima transaldolase sensível a redox de Neisseria gonorrhoeae, as cadeias laterais dos resíduos vizinhos Lys 8 e Cys 38 na superfície da proteína formam uma ligação cruzada NOS sob condições oxidantes que leva a uma perda de atividade enzimática através de 'crosstalk estrutural' com o Site ativo. Sob condições redutoras, a ligação cruzada é desativada e a atividade enzimática é restaurada. Ainda não estava claro se esta ligação cruzada lisina-cisteína é uma modificação redox regulatória generalizada nas proteínas ou uma característica específica da proteína transaldolase estudada9.

a, Estruturas e esquema de reação da formação de pontes redox NOS e SONOS por ROS ou oxigênio em etapas subsequentes de oxidação. b, Estrutura sugerida de um interruptor redox dissulfeto-NOS 'misto', no qual um dissulfeto está em equilíbrio com uma ponte NOS. c, Topologias de pontes NOS mostrando ligações cruzadas intramoleculares e intermoleculares conforme observado em estruturas proteicas determinadas experimentalmente. d, Topologias de pontes SONOS mostrando ligações cruzadas intramoleculares e intermoleculares conforme observado em estruturas proteicas determinadas experimentalmente. Uma ponte SONOS, onde a lisina e duas cisteínas são fornecidas por três proteínas diferentes, ainda não foi identificada. As letras A, B e C indicam proteínas diferentes.

Aqui, nós exploramos sistematicamente o banco de dados de estrutura de proteínas disponível para proteínas com ligações cruzadas de lisina-cisteína não detectadas e encontramos pontes NOS até agora não identificadas em proteínas de todos os domínios da vida com papéis críticos nas funções celulares centrais, incluindo metabolismo, expressão gênica, sinalização, o via da ubiquitina, reparo do DNA e homeostase redox. Estas descobertas têm implicações biológicas abrangentes no contexto da sinalização redox, do estresse oxidativo e de muitos estados de doença humana.

10. Hereby, the N–S distances are slightly reduced but only down to 3.05 Å (Supplementary Fig. 3). This state was, however, less stable than the charge-neutral Lys(NH2)/Cys(SH) even up to dielectric constants mirroring water (within the limits of our model), leading to proton transfers. The computational results signal a clear difference between the various types of interactions, with the lowest energy distributions showing no overlap. The results are also consistent independent of the relative positioning of the two residues./p>3.2 Å). We identified 266 deposited structures with ~400 potential NOS bridges (Supplementary Data 1) and manually inspected the putative lysine–cysteine cross-link site in all of the structures, for which structure factors and electron density maps were available. To eliminate a potential model bias, we also calculated mFo–DFc omit difference electron density maps, where the NOS bridge residues had been excluded from the structural models (representative examples are shown in Extended Data Fig. 3). The corresponding lysine and cysteine residues were modeled without a cross-link in almost all deposited structures, with a methylene bridge in very few structures and with an NOS link in one structure except our own structures. We remodeled both residues with a covalent cross-link either as an NOS bridge or, alternatively, as a direct N–S linkage (sulfenamide) using geometrically parametrized restraints obtained by our quantum chemical calculations. We consider formation of a methylene (N–CH2–S) bridge as highly unlikely, as previously discussed by us and others9,13. We then re-refined the structures and compared the obtained models and electron density maps for the three alternative scenarios: (1) a covalent NOS linkage, (2) a covalent N–S linkage and (3) a non-covalent hydrogen-bond interaction (as deposited). In ~150 datasets, the existence of an NOS bridge is very likely (~100) or possible (~50), while a non-covalent hydrogen-bonding interaction or direct N–S linkage can be relegated in these datasets to a minor probability (Supplementary Data 1). In a few datasets, the electron density maps clearly indicate the presence of a cross-link, but the quality is insufficient to discriminate between an NOS bridge and a direct N–S bond (sulfenamide; Supplementary Data 1). Proteins likely or possibly containing NOS cross-links and corresponding homologs are found in all domains of life (Extended Data Fig. 4). Proteins from human or plant pathogens (Supplementary Table 2) and human proteins (Supplementary Table 3) are summarized individually./p>

3.2 Å, we considered a cutoff at 3 Å to be a robust discriminator between covalent and non-covalent cysteine–lysine interactions. A total of 285 PDB entries with ~400 potential NOS/SONOS bridges were identified; for 266 of these, the corresponding structure factors were deposited. We examined all entries manually and inspected the potential NOS/SONOS redox switch sites. We also calculated mFo–DFc electron density OMIT maps to eliminate model bias using PHENIX.POLDER59, omitting all entities constituting the suggested bridge. In case the electron density maps indicated the presence of a covalent cross-link between the lysine N atom and the cysteine S atom, we rebuilt the structural model with an NOS/SONOS bridge and compared the obtained models and electron density maps with those calculated for structures with a non-covalent interaction between the lysine and cysteine side chains. Model building was performed using COOT46, and refinements were done with PHENIX.REFINE45./p>

blog

Ocorrência generalizada de lisina covalente