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Remodeling hydrogen bond interactions results in relaxed specificity of Caspase-3
bioRxiv - Biochemistry Pub Date : 2020-08-07 , DOI: 10.1101/2020.08.07.241620
Liqi Yao , Paul Swartz , Paul Hamilton , A. Clay Clark

Caspase enzymes play important roles in apoptosis and inflammation, and the non-identical but overlapping specificity profiles direct cells to different fates. Although all caspases prefer aspartate at the P1 position of the substrate, the caspase-6 subfamily shows preference for valine at the P4 position, while caspase-3 shows preference for aspartate. In comparison to human caspases, caspase-3a from zebrafish has relaxed specificity and demonstrates equal selection for either valine or aspartate at the P4 position. In the context of the caspase-3 conformational landscape, we show that changes in hydrogen bonding near the S3 subsite affect selection of the P4 amino acid. Swapping specificity with caspase-6 requires accessing new conformational space, where each landscape results in optimal binding of DxxD (caspase-3) or VxxD (caspase-6) substrate and simultaneously disfavors binding of the other substrate. Within the context of the caspase-3 conformational landscape, substitutions near the active site result in nearly equal activity against DxxD and VxxD by disrupting a hydrogen bonding network in the substrate binding pocket. The converse substitutions in zebrafish caspase-3a result in increased selection for P4 aspartate over valine. Overall, the data show that evolutionary neofunctionalization resulting in a dual function protease, as in zebrafish caspase-3a, requires fewer amino acid substitutions compared to those required to access new conformational space for swapping substrate specificity, such as between caspases-3 and -6.

中文翻译:

重塑氢键相互作用导致Caspase-3的特异性降低

半胱天冬酶在细胞凋亡和炎症中起着重要的作用,并且特异性不同但重叠的特征将细胞导向不同的命运。尽管所有半胱天冬酶都喜欢在底物的P1位置上的天冬氨酸,但是caspase-6亚家族在P4位置上显示对缬氨酸的偏好,而caspase-3则对天冬氨酸的偏好。与人胱天蛋白酶相比,来自斑马鱼的caspase-3a具有宽松的特异性,并且在P4位置显示缬氨酸或天冬氨酸具有相同的选择。在caspase-3构象景观的背景下,我们显示S3子位点附近氢键的变化会影响P4氨基酸的选择。用caspase-6交换特异性需要访问新的构象空间,其中每个景观导致DxxD(caspase-3)或VxxD(caspase-6)底物的最佳结合,同时不利于其他底物的结合。在caspase-3构象结构的背景下,靠近活性位点的取代通过破坏底物结合口袋中的氢键网络,导致对DxxD和VxxD的活性几乎相同。斑马鱼caspase-3a中的相反取代导致P4天冬氨酸对缬氨酸的选择增加。总体而言,数据表明,与获得新构象空间以交换底物特异性(例如在caspases-3和-6之间交换)所需的氨基酸取代相比,导致双功能蛋白酶的进化新功能化(如在斑马鱼caspase-3a中)需要更少的氨基酸取代。 。在caspase-3构象结构的背景下,靠近活性位点的取代通过破坏底物结合口袋中的氢键网络,导致对DxxD和VxxD的活性几乎相同。斑马鱼caspase-3a中的相反取代导致P4天冬氨酸对缬氨酸的选择增加。总体而言,数据表明,与获得新构象空间以交换底物特异性(例如在caspases-3和-6之间交换)所需的氨基酸取代相比,导致双功能蛋白酶的进化新功能化(如在斑马鱼caspase-3a中)需要更少的氨基酸取代。 。在caspase-3构象结构的背景下,靠近活性位点的取代通过破坏底物结合口袋中的氢键网络,导致对DxxD和VxxD的活性几乎相同。斑马鱼caspase-3a中的相反取代导致P4天冬氨酸对缬氨酸的选择增加。总体而言,数据表明,与获得新构象空间以交换底物特异性(例如在caspases-3和-6之间交换)所需的氨基酸取代相比,导致双功能蛋白酶的进化新功能化(如在斑马鱼caspase-3a中)需要更少的氨基酸取代。 。斑马鱼caspase-3a中的相反取代导致P4天冬氨酸对缬氨酸的选择增加。总体而言,数据表明,与获得新构象空间以交换底物特异性(例如在caspases-3和-6之间交换)所需的氨基酸取代相比,导致双功能蛋白酶的进化新功能化(如在斑马鱼caspase-3a中)需要更少的氨基酸取代。 。斑马鱼caspase-3a中的相反取代导致P4天冬氨酸对缬氨酸的选择增加。总体而言,数据表明,与获得新构象空间以交换底物特异性(例如在caspases-3和-6之间交换)所需的氨基酸取代相比,与斑马鱼caspase-3a一样,导致双功能蛋白酶进化的新功能化。
更新日期:2020-08-10
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