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大肠杆菌中热不稳定尿嘧啶-DNA 糖基化酶的计算设计。

Computational design of a thermolabile uracil-DNA glycosylase of Escherichia coli.

机构信息

Department of Emerging Materials Science, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Daegu, Korea.

Enzynomics, Inc., Daejeon, Korea.

出版信息

Biophys J. 2022 Apr 5;121(7):1276-1288. doi: 10.1016/j.bpj.2022.02.027. Epub 2022 Feb 18.

Abstract

Polymerase chain reaction (PCR) is a powerful tool to diagnose infectious diseases. Uracil DNA glycosylase (UDG) is broadly used to remove carryover contamination in PCR. However, UDG can contribute to false negative results when not inactivated completely, leading to DNA degradation during the amplification step. In this study, we designed novel thermolabile UDG derivatives by supercomputing molecular dynamic simulations and residual network analysis. Based on enzyme activity analysis, thermolability, thermal stability, and biochemical experiments of Escherichia coli-derived UDG and 22 derivatives, we uncovered that the UDG D43A mutant eliminated the false negative problem, demonstrated high efficiency, and offered great benefit for use in PCR diagnosis. We further obtained structural and thermodynamic insights into the role of the D43A mutation, including perturbed protein structure near D43; weakened pairwise interactions of D43 with K42, N46, and R80; and decreased melting temperature and native fraction of the UDG D43A mutant compared with wild-type UDG.

摘要

聚合酶链式反应(PCR)是诊断传染病的有力工具。尿嘧啶 DNA 糖基化酶(UDG)被广泛用于去除 PCR 中的残留污染。然而,当 UDG 没有完全失活时,它会导致假阴性结果,从而在扩增步骤中导致 DNA 降解。在这项研究中,我们通过超级计算分子动力学模拟和残差网络分析设计了新型热不稳定 UDG 衍生物。基于酶活性分析、热稳定性、热稳定性和大肠杆菌来源的 UDG 及其 22 个衍生物的生化实验,我们发现 UDG D43A 突变消除了假阴性问题,表现出高效率,并为 PCR 诊断提供了很大的好处。我们进一步获得了 D43A 突变作用的结构和热力学见解,包括 D43 附近蛋白质结构的扰动;D43 与 K42、N46 和 R80 的相互作用减弱;以及与野生型 UDG 相比,UDG D43A 突变体的熔点和天然分数降低。

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