Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1119710.32607/actanaturae.11197Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleInvolvement of the N Domain Residues E34, K35, and R38 in the Functionally Active Structure of Escherichia coli Lon ProteaseУчастие остатков E34, K35 и R38 N-домена в формировании функционально активной структуры Lon-протеазы Escherichia coliAndrianovaA. G.АндриановаА. Г.
Russian Federation
tatyana.rotanova@ibch.ruKudzhaevA. M.КуджаевА. М.
Russian Federation
tatyana.rotanova@ibch.ruAbrikosovaV. A.АбрикосоваВ. А.
Russian Federation
tatyana.rotanova@ibch.ruGustchinaA. E.ГущинаА. Е.
United States
tatyana.rotanova@ibch.ruSmirnovI. V.СмирновИ. В.
Russian Federation
tatyana.rotanova@ibch.ruRotanovaT. V.РотановаТ. В.
Russian Federation
tatyana.rotanova@ibch.ruShemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНMacromolecular Crystallography Laboratory NCI-Frederick2212202012486970909202022102020Copyright ©; 2020, Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Abrikosova V.A., Gustchina A.E., Smirnov I.V., Rotanova T.V.Copyright ©; 2020, Андрианова А.Г., Куджаев А.М., Абрикосова В.А., Гущина А.Е., Смирнов И.В., Ротанова Т.В.2020Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Abrikosova V.A., Gustchina A.E., Smirnov I.V., Rotanova T.V.Андрианова А.Г., Куджаев А.М., Абрикосова В.А., Гущина А.Е., Смирнов И.В., Ротанова Т.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11197

ATP-dependent Lon protease of Escherichia coli (EcLon), which belongs to the superfamily of AAA+ proteins, is a key component of the cellular proteome quality control system. It is responsible for the cleavage of mutant, damaged, and short-lived regulatory proteins that are potentially dangerous for the cell. EcLon functions as a homooligomer whose subunits contain a central characteristic AAA+ module, a C-terminal protease domain, and an N-terminal non-catalytic region composed of the actual N-terminal domain and the inserted α-helical domain. An analysis of the N domain crystal structure suggested a potential involvement of residues E34, K35, and R38 in the formation of stable and active EcLon. We prepared and studied a triple mutant LonEKR in which these residues were replaced with alanine. The introduced substitutions were shown to affect the conformational stability and nucleotide-induced intercenter allosteric interactions, as well as the formation of the proper protein binding site.

АТР-зависимая Lon-протеаза Escherichia coli (ЕсLon), относящаяся к суперсемейству ААА+-белков, является ключевым участником системы контроля качества клеточного протеома, в которой она отвечает за расщепление потенциально опасных для клетки мутантных, поврежденных и короткоживущих регуляторных белков. ЕсLon функционирует как гомоолигомер, субъединица которого включает центральный характеристический ААА+-модуль, С-концевой протеазный домен, а также N-концевую некаталитическую область, образованную двумя доменами – собственно N-концевым и вставочным α-спирализованным. Анализ пространственной структуры N-домена позволил выявить остатки E34, K35 и R38 на поверхности молекулы фермента, предположительно вовлеченные в формирование стабильной, функционально активной EcLon-протеазы. Получен тройной мутант LonEKR, несущий замены остатков E34, K35 и R38 на аланин. Показано, что введение указанных замен влияет на конформационную стабильность и межцентровые аллостерические взаимодействия в ферменте, обусловленные действием нуклеотидов, а также на формирование корректного сайта связывания белкового субстрата.

cellular proteome quality controlAAA+ proteinsATP-dependent proteolysisLonA proteasesN domainконтроль качества клеточного протеомаААА+-белкиАТР-зависимый протеолизLonA-протеазыN-доменРоссийский фонд фундаментальных исследованийRussian Foundation for Basic Research19-04-00646Gottesman S., Wickner S., Maurizi M.R. // Genes Dev. 1997. V. 11. P. 815–823.Mogk A., Haslberger T., Tessarz P., Bukau B. // Biochem. Soc. Trans. 2008. V. 3. P. 120–125.Tyedmers J., Mogk A., Bukau B. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2010. V. 11. P. 777–788.Balchin D., Hayer-Hartl M., Hartl F.U. // Science. 2016. V. 353 (6294). aac4354.Jeng W., Lee S., Sung N., Lee J., Tsai F.T.F. // F1000Research. 2015. V. 4. (F1000 Faculty Rev). 1448.Finka A., Mattoo R.U.H., Goloubinoff P. // Annu. Rev. Biochem. 2016. V. 85. P. 715–742.Rotanova T.V., Tsirulnikov K.B., Melnikov E.E. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2003. V. 29. P. 85–87.Ротанова Т.В., Цирульников К.Б., Мельников Э.Э. // Биоорган. химия. 2003. Т. 29. С. 97–99.Rotanova T.V., Melnikov E.E., Khalatova A.G., Makhovskaya O.V., Botos I., Wlodawer A., Gustchina A. // Eur. J. Biochem. 2004. V. 271. P. 4865–4871.Steinman J.B., Kapoor T.M. // Curr. Opin. Chem. Biol. 2019. V. 50. P. 45–54.Miller J.M., Enemark E.J. // Archaea. 2016. V. 2016. P. 1–12.Puchades C, Sandate C.R., Lander G.C. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020. V. 21. P. 43–58.Puchades C., Sandate C.R., Lander G.C. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020. V. 21. P. 43–58.White S.R., Lauring B. // Traffic. 2007. V. 8. P. 1657–1667.Bittner L.M., Arends J., Narberhaus F. // Biopolymers. 2016. V. 105. P. 505–517.Striebel F., Kress W., Weber-Ban E. // Curr. Opin. Struc. Biol. 2009. V. 19. P. 209–217.Gottesman S. // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2003. V. 19. P. 565–587.Anthony J.R., Steven E.G. // J. Mol. Biol. 2017. V. 429. P. 873–885.Baker T.A., Sauer R.T. // Trends Biochem. Sci. 2006. V. 31. P. 647–653.Gur E., Sauer R.T. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V. 106. P. 18503–18508.Ciechanover А., Stanhill А. // Biochim. Biophys. Acta. 2014. V. 1843. P. 86–96.Lopez-Castejon G. // FEBS J. 2020. V. 287(1). P. 11–26.Sauer R.T., Baker T.A. // Annu. Rev. Biochem. 2011. V. 80. P. 587–612.Gur E., Vishkautzan M., Sauer R.T. // Protein Sci. 2012. V. 21. P. 268–278.Francis T.T., Christopher P.H. // eLife. 2020. V. 9. P. 1–3.Rotanova T.V., Botos I., Melnikov E.E., Rasulova F., Gustchina A., Maurizi M.R., Wlodawer A. // Protein. Sci. 2006. V. 15. P. 1815–1828.Botos I., Melnikov E.E., Cherry S., Tropea J.E., Khalatova A.G., Rasulova F., Dauter Z., Maurizi M.R., Rotanova T.V., Wlodawer A., Gustchina A. // J. Biol. Chem. 2004. V. 279. P. 8140–8148.Botos I., Melnikov E.E., Cherry S., Kozlov S., Makhovskaya O.V., Tropea J.E., Gustchina A., Rotanova T.V., Wlodawer A. // J. Mol. Biol. 2005. V. 351. P. 144–157.Liao J.H., Kuo C.I., Huang Y.Y., Lin Y.C., Lin Y.C., Yang C.Y., Wu W.L., Chang W.H., Liaw Y.C., Lin L.H., et al. // PLoS One. 2012. V. 7(7). P. 1–13.Liao J.H., Ihara K., Kuo C.I., Huang K.F., Wakatsuki S., Wu S.H., Chang C.I. // Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr. 2013. V. 69. P. 1395–1402.Rotanova T.V., Melnikov E.E. // Biochemistry (Moscow) Suppl. Series B: Biomed. Chem. 2010. V. 4. P. 404–408.Ротанова Т.В., Мельников Э.Э. // Биомед. химия. 2010. Т. 56. С. 412–419.Rotanova T.V., Dergousova N.I., Morozkin A.D. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2013. V. 39. P. 268–282.Ротанова Т.В., Дергоусова Н.И., Морозкин А.Д. // Биоорган. химия. 2013. Т. 39. С. 309–319.Li M., Gustchina A., Rasulova F., Melnikov E.E., Maurizi M.R., Rotanova T.V., Dauter Z., Wlodawer A. // Acta Crystallogr. Sec. D Biol. Crystallogr. 2010. V. 66. P. 865–873.Bertonati C., Punta M., Fischer M., Yachdav G., Forouhar F., Zhou W., Kuzin A.P., Seetharaman J., Abashidze M., Ramelot T.A., et al // Proteins. 2009. V. 75. P. 760–773.Rotanova T.V., Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Li M., Botos I., Wlodawer A., Gustchina A., et al. // FEBS OpenBio. 2019. V. 9. P. 1536–1551.Rotanova T.V., Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Li M., Botos I., Wlodawer A., Gustchina A. // FEBS OpenBio. 2019. V. 9. P. 1536–1551.Wohlever M.L., Baker T.A., Sauer R.T. // Mol. Microbiol. 2014. V. 91. P. 66–78.Rudyak S.G., Shrader T.E. // Protein Sci. 2000. V. 9. P. 1810–1817.Adam C., Picard M., Déquard-Chablat M., Sellem C.H., Hermann-Le Denmat S., Contamine V. // PLoS One. 2012. V. 7. P. 1–10.Ebel W., Skinner M.M., Dierksen K.P., Scott J.M., Trempy J.E. // J. Bacteriol. 1999. V. 181. P. 2236–2243.Botos I., Lountos G.T., Wu W., Cherry S., Ghirlando R., Kudzhaev A.M., Rotanova T.V., de Val N., Tropea J., Gustchina A., Wlodawer A. // Curr. Res. Struct. Biol. 2019. V. 1. P. 13–20.Vieux E.F., Wohlever M.L., Chen J.Z., Sauer R.T., Baker T.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. P. 2002–2008.Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Serova O.V., Dergousova N.I., Rotanova T.V. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2014. V. 40. P. 620–627.Андрианова А.Г., Куджаев А.М., Серова О.В., Дергоусова Н.И., Ротанова Т.В. // Биоорган. химия. 2014. Т. 40. С. 673–681.Kudzhaev A.M., Dubovtseva E.S., Serova O.V., Andrianova A.G., Rotanova T.V. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2018. V. 44. P. 518–527.Куджаев А.М., Дубовцева Е.С., Серова О.В., Андрианова А.Г., Ротанова Т.В. // Биоорган. химия. 2018. Т. 44. С. 522–532.Kudzhaev A.M., Andrianova A.G., Dubovtseva E.S., Serova O.V., Rotanova T.V. // Acta Naturae. 2017. V. 9. № 2. P. 75–81.Куджаев А.М., Андрианова А.Г., Дубовцева Е.С., Серова О.В., Ротанова Т.В. // Acta Naturae. 2017. Т. 9. № 2. С. 79–86.Andrianova A.G., Kudzhaev A.M., Dubovtseva E.S., Rotanova T.V. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2017. V. 43. P. 368–376.Андрианова А.Г., Куджаев А.М., Дубовцева Е.С., Ротанова Т.В. // Биоорган. химия. 2017. Т. 43. С. 357–366.Kudzhaev A.M., Dubovtseva E.S., Serova O.V., Andrianova A.G., Rotanova T.V. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2016. V. 42. P. 381–388.Куджаев А.М., Дубовцева Е.С., Серова О.В., Андрианова А.Г., Ротанова Т.В. // Биоорган. химия. 2016. Т. 42. С. 421–430.Kudzhaev A.M., Andrianova A.G., Serova O.V., Arkhipova V.A., Dubovtseva E.S., Rotanova T.V. // Russ. J. Bioorg. Chem. 2015. V. 41. P. 518–524.Куджаев А.М., Андрианова А.Г., Серова О.В., Архипова В.А., Дубовцева Е.С., Ротанова Т.В. // Биоорган. химия. 2015. Т. 41. С. 579–586.Bradford M.M. // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248–254.Laemmli U.K. // Nature. 1970. V. 227. P. 680–685.Bencini D.A., Wild J.R., O’Donovan G.A. // Anal. Biochem. 1983. V. 132. P. 254–258.Castillo M.J., Nakajima K., Zimmerman M., Powers J.C. // Anal. Biochem. 1979. V. 99. P. 53–64.Melnikov E.E., Andrianova A.G., Morozkin A.D., Stepnov A.A., Makhovskaya O.V., Botos I., Gustchina A., Wlodawer A., Rotanova T.V. // Acta Biochim. Pol. 2008. V. 55. P. 281–296.