Bacterial Rel proteins synthesize hyperphosphorylated guanosine nucleotides, denoted as (p)ppGpp, which by inhibiting energy requiring molecular pathways help bacteria to overcome the depletion of nutrients in its surroundings. (p)ppGpp synthesis by Rel involves transferring a pyrophosphate from ATP to the oxygen of 3′-OH of GTP/GDP. Initially, a conserved glutamate at the active site was believed to generate the nucleophile necessary to accomplish the reaction. Later this role was alluded to a Mg2+ ion. However, no study has unequivocally established a catalytic mechanism for (p)ppGpp synthesis. Here we present a revised mechanism, wherein for the first time we explore a role for 2′-OH of GTP and show how it is important in generating the nucleophile. Through a careful comparison of substrate-bound structures of Rel, we illustrate that the active site does not discriminate GTP from dGTP, for a substrate. Using biochemical studies, we demonstrate that both GTP and dGTP bind to Rel, but only GTP (but not dGTP) can form the product. Reactions performed using GTP analogs substituted with different chemical moieties at the 2′ position suggest a clear role for 2′-OH in catalysis by providing an indispensable hydrogen bond; preliminary computational analysis further supports this view. This study elucidating a catalytic role for 2′-OH of GTP in (p)ppGpp synthesis allows us to propose different mechanistic possibilities by which it generates the nucleophile for the synthesis reaction. This study underscores the selection of ribose nucleotides as second messengers and finds its roots in the old RNA world hypothesis.

中文翻译：

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Rel蛋白合成（p）ppGpp的修订机制：GTP 2'-OH的关键作用。

细菌Rel蛋白合成称为（p）ppGpp的超磷酸化鸟苷核苷酸，该蛋白通过抑制需要分子途径的能量来帮助细菌克服周围环境中营养的消耗。Rel的（p）ppGpp合成涉及将焦磷酸从ATP转移到GTP / GDP的3'-OH的氧。最初，在活性位点的保守的谷氨酸被认为产生完成反应所必需的亲核试剂。后来这个作用被暗示为Mg2 +离子。但是，没有任何研究明确建立（p）ppGpp合成的催化机制。在这里，我们提出了一种经过修订的机制，其中，我们首次探索了GTP 2'-OH的作用，并展示了其在生成亲核试剂中的重要性。通过仔细比较Rel的底物结合结构，我们举例说明，对于底物，活性位点不能将GTP与dGTP区分开。使用生化研究，我们证明GTP和dGTP都与Rel结合，但是只有GTP（但不是dGTP）才能形成产物。使用在2'位置被不同化学部分取代的GTP类似物进行的反应表明，通过提供必不可少的氢键，2'-OH在催化中具有明显的作用。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。用于基材。使用生化研究，我们证明GTP和dGTP都与Rel结合，但是只有GTP（但不是dGTP）才能形成产物。使用在2'位置被不同化学部分取代的GTP类似物进行的反应表明，通过提供必不可少的氢键，2'-OH在催化中具有明显的作用。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。用于基材。使用生化研究，我们证明GTP和dGTP都与Rel结合，但是只有GTP（但不是dGTP）才能形成产物。使用在2'位置被不同化学部分取代的GTP类似物进行的反应表明，通过提供必不可少的氢键，2'-OH在催化中具有明显的作用。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。但只有GTP（而不是dGTP）可以形成产品。使用在2'位置被不同化学部分取代的GTP类似物进行的反应表明，通过提供必不可少的氢键，2'-OH在催化中具有明显的作用。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。但只有GTP（而不是dGTP）可以形成产品。使用在2'位置被不同化学部分取代的GTP类似物进行的反应表明，通过提供必不可少的氢键，2'-OH在催化中具有明显的作用。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。初步的计算分析进一步支持了这一观点。这项研究阐明了GTP的2'-OH在（p）ppGpp合成中的催化作用，使我们提出了不同的机制可能性，通过该机制它可以为合成反应生成亲核试剂。这项研究强调了选择核糖核苷酸作为第二信使，并发现其起源于旧的RNA世界假说。