Biopolym. Cell. 2016; 32(1):61-69.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.00090E
Біоінформатика
Вивчення комплексів лейцил-тРНК синтетази Thermus thermophilus з різними амінокислотами та субстратами пре-трансферного редагування методами молекулярного докінгу і молекулярної динаміки
1Раєвський О. В., 1Тукало М. А.
  1. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680

Abstract

Мета. Вивчення структурних особливостей, що забезпечуютьселективність аміноацилюючого сайту лейцил-тРНК синтетази із Thermus thermophilus (LeuRSTT) по відношенню до амінокислот, і пояснення механізму зв’язування субстрату претрансферного редагувааня. Методи. Вісім амінокислот, запропонованих в якості субстратів аміноацилювання і вісім аміноациладенилатів (сформованих з АМФ і восьми амінокислот) були підготовлені у вигляді цвіттер-іонів. Кристалічна структура білка із субстратом в аміноацилюючому сайті [PDBID:1OBH] була отримана із RCSB бази даних. Параметри докінгу та оцінка ефективності лиганда припускали дворазовий аналізу конформацій за допомогою пакету Gold CCDC. Моделювання молекулярної динаміки проводилось з використанням Gromacs. Процедури релаксації і детального дослідження були розділені на два послідовних моделювання тривалістю 50 нс і нс. Результати. Оцінка ефективності зв’язування 8 амінокислот була визначена завдяки аналізу на основі двох оціночних функцій і показала, що ліганди LeuRSTT за цими властивостями можна розташувати в наступному порядку: Leu> Nva> Hcy> Nle> Меt> Cys> Ile > Val. МД показала нижчі електростатичні взаємодії ізолейцину з активним сайтом ферменту у порівнянні з норваліном і лейцином. У випадку аміноациладенилатів істотних відмінностей не було знайдено. Молекулярна динаміка лейцил-, ізолейцил- і норваліладенилату показала, що найбільш стабільним і конформаційно вигідним субстратом є лейцин, а не норвалін і ізолейцин. Крім того, було виявлено, що TYR43 в активному сайті екранує карбоксильні групи лейцину і норваліну і відхиляється убік в присутності ізолейцина, дозволяючи молекулі води наблизитися. Висновки. В цьому дослідженні ми виявили деякі причини відбору субстратів в залежності від форми, розміру і гнучкості радикала. Результати для різних амінокислот, отримані за допомогою молекулярного докінгу і МД, добре корелюють з експериментальними даними по першому етапу аміноацилювання. МД аміноациладенилатів показала, що складність в активації деяких амінокислот може бути викликана двома причинами: надмірною гнучкістю через розмір радикалу або структуру і швидким гідролізом проміжного субстрату під час нуклеофільної атаки молекулами води.
Keywords: лейцил–tRNA синтетаза, редагування, амінокислоти, аміноацил-аденилат, молекулярний докінг, МД
Повний текст: (PDF, англійською)

References

[1] Ibba M, Soll D. Aminoacyl-tRNA synthesis. Annu Rev Biochem. 2000;69:617-50.
[2] Cusack S, Berthet-Colominas C, Härtlein M, Nassar N, Leberman R. A second class of synthetase structure revealed by X-ray analysis of Escherichia coli seryl-tRNA synthetase at 2.5 A. Nature. 1990;347(6290):249-55.
[3] Eriani G, Delarue M, Poch O, Gangloff J, Moras D. Partition of tRNA synthetases into two classes based on mutually exclusive sets of sequence motifs. Nature. 1990;347(6289):203-6.
[4] Yadavalli SS, Ibba M. Quality control in aminoacyl-tRNA synthesis its role in translational fidelity. Adv Protein Chem Struct Biol. 2012;86:1-43.
[5] Fersht AR. Editing mechanisms in protein synthesis. Rejection of valine by the isoleucyl-tRNA synthetase. Biochemistry. 1977;16(5):1025-30.
[6] Cusack S, Yaremchuk A, Tukalo M. The 2 A crystal structure of leucyl-tRNA synthetase and its complex with a leucyl-adenylate analogue. EMBO J. 2000;19(10):2351-61.
[7] Martinis SA, Fox GE. Non-standard amino acid recognition by Escherichia coli leucyl-tRNA synthetase. Nucleic Acids Symp Ser. 1997;36:125-8.
[8] Zhu B, Yao P, Tan M, Eriani G, Wang ED. tRNA-independent pretransfer editing by class I leucyl-tRNA synthetase. J Biol Chem. 2009;284(6):3418-24.
[9] Cvetesic N, Palencia A, Halasz I, Cusack S, Gruic-Sovulj I. The physiological target for LeuRS translational quality control is norvaline. EMBO J. 2014;33(15):1639-53.
[10] Lincecum TL Jr, Tukalo M, Yaremchuk A, Mursinna RS, Williams AM, Sproat BS, Van Den Eynde W, Link A, Van Calenbergh S, Grøtli M, Martinis SA, Cusack S. Structural and mechanistic basis of pre- and posttransfer editing by leucyl-tRNA synthetase. Mol Cell. 2003;11(4):951-63.
[11] Dulic M, Cvetesic N, Perona JJ, Gruic-Sovulj I. Partitioning of tRNA-dependent editing between pre- and post-transfer pathways in class I aminoacyl-tRNA synthetases. J Biol Chem. 2010;285(31):23799-809.
[12] Boniecki MT, Vu MT, Betha AK, Martinis SA. CP1-dependent partitioning of pretransfer and posttransfer editing in leucyl-tRNA synthetase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(49):19223-8.
[13] Zhai Y, Martinis SA. Two conserved threonines collaborate in the Escherichia coli leucyl-tRNA synthetase amino acid editing mechanism. Biochemistry. 2005;44(47):15437-43.
[14] Tan M, Zhu B, Zhou XL, He R, Chen X, Eriani G, Wang ED. tRNA-dependent pre-transfer editing by prokaryotic leucyl-tRNA synthetase. J Biol Chem. 2010;285(5):3235-44.
[15] Case DA, Cheatham TE 3rd, Darden T, Gohlke H, Luo R, Merz KM Jr, Onufriev A, Simmerling C, Wang B, Woods RJ. The Amber biomolecular simulation programs. J Comput Chem. 2005;26(16):1668–88.
[16] Humphrey W, Dalke A, Schulten K. VMD: visual molecular dynamics. J Mol Graph. 1996;14(1):33-8, 27-8.
[17] Jones G, Willett P, Glen RC, Leach AR, Taylor R. Development and validation of a genetic algorithm for flexible docking. J Mol Biol. 1997;267(3):727-48.
[18] Pronk S, Páll S, Schulz R, Larsson P, Bjelkmar P, Apostolov R, Shirts MR, Smith JC, Kasson PM, van der Spoel D, Hess B, Lindahl E. GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit. Bioinformatics. 2013;29(7):845-54.
[19] Salnikov AO, Sliusar IA, Sudakov OO, Savytskyi OV, Kornelyuk AI. MolDynGrid virtual laboratory as a part of Ukrainian Academic Grid infrastructure. 2009 IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications. 2009; 237–40.
[20] Páll S, Abraham MJ, Kutzner C, Hess B, Lindahl E. Tackling exascale software challenges in molecular dynamics simulations with GROMACS. Solving Software Challenges for Exascale. 2015; 8759:3–27.
[21] 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.
[22] Jorgensen WL, Chandrasekhar J, Madura JD, Impey RW, Klein ML. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J Chem Phys. 1983;79(2):926–35.
[23] Berendsen HJC,van der Spoel D,van Drunen R. GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics implementation. Comput Phys Commun. 1995; 91(1–2):43–56.
[24] Dulic M, Perona JJ, Gruic-Sovulj I. Determinants for tRNA-dependent pretransfer editing in the synthetic site of isoleucyl-tRNA synthetase. Biochemistry. 2014;53(39):6189-98.