Biopolym. Cell. 2014; 30(2):157-162.
Біоінформатика
Механізм взаємодії субстратів з активним центром тирозил-
тРНК синтетази Mycobacterium tuberculosis за даними
молекулярної динаміки
1, 2Микуляк В. В., 1, 2Корнелюк О. І.
- Інститут високих технологій,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
пр. Академіка Глушкова 2, кор. 5, Київ, Україна, 03022 - Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680
Abstract
Мета. Дослідити механізми взаємодії субстратів реакції аміноацилювання з активним центром тирозил-тРНК синтетази еубактерії Mycobacterium tuberculosis (MtTyrRS). Методи. Суперпозицією MtTyrRS з кристалографічними структурами бактерійних TyrRS побудовано комплекси з тирозином, тирозином, АТФ і тирозиладенілатом. Комплекси MtTyrRS з субстратами вивчали методом моделювання молекулярної динаміки (МД) у розчині. Результати. Показано водневі зв’язки між субстратами і активним центром MtTyrRS та їхню стабільність у процесі МД. Стабільність АТФ в активному центрі забезпечується водневими зв’язками, а також електростатичними взаємодіями з Lys231 та Lys 234 каталітичного мотиву KFGKS. Висновки. Ділянка зв’язування L-тирозину в активному центрі ферменту є негативно зарядженою, тоді як ділянка зв’язування АТФ має позитивно заряджені Lys231 і Lys234 каталітичної послідовності KFGKS. Процентне співвідношення тривалості існування водневих зв’язків, які формуються між субстратами та ферментом, до загального часу моделювання МД свідчить про конформаційну рухливість активного центра.
Keywords: тирозил-тРНК синтетаза, Mycobacterium tuberculosis , субстрат, водневий зв’язок, молекулярна динаміка, грид
Повний текст: (PDF, англійською)
References
[1]
Kornelyuk A. Structural and functional investigation of mammalian tyrosyl-tRNA synthetase. Biopolym Cell. 1998; 14(4):349–59.
[2]
Bonnefond L, Giege R, Rudinger-Thirion J. Evolution of the tRNA(Tyr)/TyrRS aminoacylation systems. Biochimie. 2005; 87(9–10):873–83.
[3]
Bedouelle H. Recognition of tRNA(Tyr) by tyrosyl-tRNA synthetase. Biochimie. 1990; 72(8):589–98.
[4]
Odynets' KO, Korneliuk OI. A model of three-dimensional structure of Mycobacterium tuberculosis tyrosyl-tRNA synthetase. Ukr Biokhim Zh. 2008; 80(5):62–75.
[5]
Hoffmann M, Torchala M. Search for inhibitors of aminoacyltRNA synthases by virtual click chemistry. J Mol Model. 2009; 15(6):665–72.
[6]
Eitner K, Gaweda T, Hoffmann M, Jura M, Rychlewski L, Barciszewski J. eHiTS-to-VMD interface application. The search for tyrosine-tRNA ligase inhibitors. J Chem Inf Model. 2007; 47(2):695–702.
[7]
Manning J, Vincent J. Tyrosyl tRNA synthetase: A new site for antibiotics. Literature Seminar. Univ. of Alabama, 2006; 10 p.
[8]
Stefanska AL, Coates NJ, Mensah LM, Pope AJ, Ready SJ, Warr SR. SB-219383, a novel tyrosyl tRNA synthetase inhibitor from a Micromonospora sp. I. Fermentation, isolation and properties. J Antibiot (Tokyo). 2000; 53(4):345–50.
[9]
Houge-Frydrych CS, Readshaw SA, Bell DJ. SB-219383, a novel tyrosyl tRNA synthetase inhibitor from a Micromonospora sp. II. Structure determination. J Antibiot (Tokyo). 2000; 53(4): 351–6.
[10]
Jarvest RL, Berge JM, Brown P, Hamprecht DW, McNair DJ, Mensah L, O'Hanlon PJ, Pope AJ. Potent synthetic inhibitors of tyrosyl tRNA synthetase derived from C-pyranosyl analogues of SB-219383. Bioorg Med Chem Lett. 2001; 11(5):715–8.
[11]
Kobayashi T, Takimura T, Sekine R, Kelly VP, Kamata K, Sakamoto K, Nishimura S, Yokoyama S. Structural snapshots of the KMSKS loop rearrangement for amino acid activation by bacterial tyrosyl-tRNA synthetase. J Mol Biol. 2005; 346(1):105–17.
[12]
Kobayashi T, Sakamoto K, Takimura T, Sekine R, Kelly VP, Kamata K, Nishimura S, Yokoyama S. Structural basis of nonnatural amino acid recognition by an engineered aminoacyl-tRNA synthetase for genetic code expansion. Proc Natl Acad Sci USA. 2005; 102(5):1366–71.
[13]
Yaremchuk A, Kriklivyi I, Tukalo M, Cusack S. Class I tyrosyltRNA synthetase has a class II mode of cognate tRNA recognition. EMBO J. 2002; 21(14):3829–40.
[14]
Qiu X, Janson CA, Smith WW, Green SM, McDevitt P, Johanson K, Carter P, Hibbs M, Lewis C, Chalker A, Fosberry A, Lalonde J, Berge J, Brown P, Houge-Frydrych CS, Jarvest RL. Crystal structure of Staphylococcus aureus tyrosyl-tRNA synthetase in complex with a class of potent and specific inhibitors. Protein Sci. 2001; 10(10):2008–16.
[15]
Brick P, Bhat TN, Blow DM. Structure of tyrosyl-tRNA synthetase refined at 2.3 A resolution. Interaction of the enzyme with the tyrosyl adenylate intermediate. J Mol Biol. 1989; 208(1):83–98.
[16]
Hartmann MD, Shkolnaya LA, Bourenkov GP, Strizhov NI, Bartunik HD. The structure of tyrosyl-tRNA synthetase from Mycobacterium tuberculosis.
[17]
Li T, Froeyen M, Herdewijn P. Comparative structural dynamics of Tyrosyl-tRNA synthetase complexed with different substrates explored by molecular dynamics. Eur Biophys J. 2008; 38(1):25–35.
[18]
Yesylevskyy SO, Savytskyi OV, Odynets KA, Kornelyuk AI. Interdomain compactization in human tyrosyl-tRNA synthetase studied by the hierarchical rotations technique. Biophys Chem. 2011; 154(2–3):90–8.
[19]
Savytskyi OV, Yesylevskyy SO, Kornelyuk AI. Asymmetric structure and domain binding interfaces of human tyrosyl-tRNA synthetase studied by molecular dynamics simulations. J Mol Recognit. 2013; 26(2):113–20.
[20]
Mykuliak VV, Kornelyuk AI. Conformational mobility of tyrosyltRNA synthetase from M. tuberculosis eubacteria according to computer modeling of molecular dynamics data. Physics of the Alive. 2011; 19(2):4–8.
[21]
Budiman ME, Knaggs MH, Fetrow JS, Alexander RW. Using molecular dynamics to map interaction networks in an aminoacyl-tRNA synthetase. Proteins. 2007; 68(3):670–89.
[22]
Thompson D, Plateau P, Simonson T. Free-energy simulations and experiments reveal long-range electrostatic interactions and substrate-assisted specificity in an aminoacyl-tRNA synthetase. Chembiochem. 2006; 7(2):337–44.
[23]
Thompson D, Simonson T. Molecular dynamics simulations show that bound Mg2+ contributes to amino acid and aminoacyl adenylate binding specificity in aspartyl-tRNA synthetase through long range electrostatic interactions. J Biol Chem. 2006; 281(33): 23792–803.
[24]
Hughes SJ, Tanner JA, Miller AD, Gould IR. Molecular dynamics simulations of LysRS: an asymmetric state. Proteins. 2006; 62 (3):649–62.
[25]
Kapustina M, Carter CW Jr. Computational studies of tryptophanyl-tRNA synthetase: activation of ATP by induced-fit. J Mol Biol. 2006; 362(5):1159–80.
[26]
Pydiura NA, Kornelyuk AI. Flexible 3D structure of Bos taurus tyrosyl-tRNA synthetase suggests the existence of hinge mechanism provided by conservative Gly353 at interdomain linker. Biopolym Cell. 2012; 28(5):397–403.
[27]
Kornelyuk AI, Klimenko IV, Odynets KA. Conformational change of mammalian tyrosyl-tRNA synthetase induced by tyrosyl adenylate formation. Biochem Mol Biol Int. 1995; 35(2):317–22.
[28]
Mykuliak VV, Kornelyuk AI. Dynamic formation of the -strand structure in the active site of tyrosyl-tRNA synthetase from Mucobacterium tuberculosis eubakteria according to the molecular dynamics. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. 2012; (5):158–162.
[29]
Hess B, Kutzner C, van der Spoel D, Lindahl E. GROMACS 4: Algorithms for highly efficient, load-balanced, and scalable molecular simulation. J Chem Theory Comput. 2008; 4(3):435–47.
[30]
Hornak V, Abel R, Okur A, Strockbine B, Roitberg A, Simmerling C. Comparison of multiple Amber force fields and development of improved protein backbone parameters. Proteins. 2006; 65(3):712–25.
[31]
Bjelkmar P, Larsson P, Cuendet M, Hess B, Lindahl E. Implementation of the CHARMM force field in GROMACS: analysis of protein stability effects from correction maps, virtual interaction sites, and water models. J Chem Theory Comput. 2010; 6 (2):459–66.
[32]
Wang J, Wang W, Kollman PA, Case DA. Automatic atom type and bond type perception in molecular mechanical calculations. J Mol Graph Model. 2006; 25(2):247–60.
[33]
Zoete V, Cuendet MA, Grosdidier A, Michielin O. SwissParam: a fast force field generation tool for small organic molecules. J Comput Chem. 2011; 32(11):2359–68.
[34]
Salnikov A, Sliusar I, Sudakov O, Savytskyi O, Kornelyuk A. Virtual laboratory MolDynGrid as a part of scientific infrastructure for biomolecular simulations. Int J Computing. 2010; 9(4): 295–301.
[35]
Savytskyi OV, Sliusar IA, Yesylevskyy SO, Stirenko SG, Kornelyuk AI. Integrated tools for molecular dynamics simulation data analysis in the MolDynGrid virtual laboratory. Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 2011 IEEE 6th International Conference on. 2011; 1:208–211.
[36]
Salnikov AO, Sliusar IA, Sudakov OO, Savytskyi OV, Kornelyuk AI. MolDynGrid virtual laboratory as a part of Ukrainian Academic Grid infrastructure. Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications, IDAACS 2009. IEEE International Workshop on. 2009:237–240.
[37]
The PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.5. Schrodinger, LLC.
[38]
Laskowski RA, Swindells MB. LigPlot+: multiple ligand-protein interaction diagrams for drug discovery. J Chem Inf Model. 2011; 51(10):2778–86.
[39]
Austin J, First EA. Comparison of the catalytic roles played by the KMSKS motif in the human and Bacillus stearothermophilus trosyl-tRNA synthetases. J Biol Chem. 2002; 277(32): 28394–9.
