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结构互变调节大肠杆菌核糖核苷酸还原酶的活性。

Structural interconversions modulate activity of Escherichia coli ribonucleotide reductase.

机构信息

Department of Chemistry, Howard Hughes Medical Institute, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Dec 27;108(52):21046-51. doi: 10.1073/pnas.1112715108. Epub 2011 Dec 12.

Abstract

Essential for DNA biosynthesis and repair, ribonucleotide reductases (RNRs) convert ribonucleotides to deoxyribonucleotides via radical-based chemistry. Although long known that allosteric regulation of RNR activity is vital for cell health, the molecular basis of this regulation has been enigmatic, largely due to a lack of structural information about how the catalytic subunit (α(2)) and the radical-generation subunit (β(2)) interact. Here we present the first structure of a complex between α(2) and β(2) subunits for the prototypic RNR from Escherichia coli. Using four techniques (small-angle X-ray scattering, X-ray crystallography, electron microscopy, and analytical ultracentrifugation), we describe an unprecedented α(4)β(4) ring-like structure in the presence of the negative activity effector dATP and provide structural support for an active α(2)β(2) configuration. We demonstrate that, under physiological conditions, E. coli RNR exists as a mixture of transient α(2)β(2) and α(4)β(4) species whose distributions are modulated by allosteric effectors. We further show that this interconversion between α(2)β(2) and α(4)β(4) entails dramatic subunit rearrangements, providing a stunning molecular explanation for the allosteric regulation of RNR activity in E. coli.

摘要

核苷酸还原酶(RNRs)对于 DNA 的生物合成和修复至关重要,其通过基于自由基的化学将核苷酸转化为脱氧核苷酸。尽管人们早就知道 RNR 活性的变构调节对于细胞健康至关重要,但这种调节的分子基础一直是个谜,主要是因为缺乏关于催化亚基(α(2))和自由基生成亚基(β(2))如何相互作用的结构信息。在这里,我们展示了来自大肠杆菌的典型 RNR 的α(2)和β(2)亚基之间的第一个复合物结构。我们使用四种技术(小角度 X 射线散射、X 射线晶体学、电子显微镜和分析超速离心),在存在负活性效应物 dATP 的情况下,描述了一种前所未有的α(4)β(4)环状结构,并为活性α(2)β(2)构象提供了结构支持。我们证明,在生理条件下,大肠杆菌 RNR 存在于瞬时α(2)β(2)和α(4)β(4)两种形式的混合物中,其分布受变构效应物调节。我们进一步表明,这种α(2)β(2)和α(4)β(4)之间的转换需要剧烈的亚基重排,为大肠杆菌 RNR 活性的变构调节提供了一个令人惊叹的分子解释。

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