グリシンN-メチル基転移酵素の自己阻害と強制生成物放出のメカニズム：野生型、変異型R175KおよびS-アデノシルホモシステイン結合型R175K酵素の結晶構造解析

グリシンN-メチルトランスフェラーゼ（S-アデノシル-L-メチオニン：グリシンメチルトランスフェラーゼ、EC 2.1.1.20; GNMT）は、グリシンのアドメット依存性メチル化を触媒してサルコシン（N-メチルグリシン）を形成します。ほとんどのメチルトランスフェラーゼとは異なり、GNMTは四音タンパク質であり、adomet結合における陽性協同性とS-アデノシルホモシステイン（Adohcy）による弱い阻害を示しています。アドメットと複合したGNMTの最初の結晶構造は、N末端のセクションが隣接するサブユニットの入り口を浸透およびcorkするユニークな「閉じた」分子バスケット構造を示しました。したがって、アクティブサイトの見かけの入り口または出口は、サブユニット構造では認識できず、酵素が酵素的に活性な「開いた」構造的立体構造を所有しなければならないことを示唆しています。R175K酵素の新しい結晶型は、過剰なadohcyの存在下で成長しており、その結晶構造は3.0 A分解能で決定されています。この構造では、各サブユニットのN末端ドメイン（40アミノ酸残基）が隣接するサブユニットの活性部位から移動し、アクティブサイトの入り口が広く開かれています。Adohcy分子は、隣接するサブユニットのN末端ドメインのGlu15およびGly16によって「閉じた」構造に占有されている部位に入りました。Adohcyは、他のメチルトランスフェラーゼで観察されたコンセンサスアドメット結合部位に結合します。このAdohcy結合部位は、化学修飾研究と部位指向変異誘発（R175K）から推定されたグリシン結合部位（Arg175）をサポートします。WTおよびR175K酵素の結晶構造も、2.5 A分解能で決定されました。これらの酵素構造には、分子バスケット構造が閉じており、以前に決定されたアドメットGNMT構造に異性です。開いた構造を閉じた構造と比較することにより、自動阻害および製品の強制放出のメカニズムがGNMT構造で明らかにされています。隣接するサブユニットのN末端切片はアドメット結合部位を占有し、したがってメチルトランスファー反応を阻害しますが、同じN末端断面は、潜在的に強力な阻害剤Adohcyの活性部位からの出発を強制し、したがってメチルトランスフェス反応を促進します。その結果、GNMTは低レベルのアドメット濃度ではあまり活動的ではなく、Adohcyによって弱く阻害されます。GNMTのこれらの特性は、特に細胞のアドメット/adohcy比の調節に適しています。

Glycine N-methyltransferase (S-adenosyl-l-methionine: glycine methyltransferase, EC 2.1.1.20; GNMT) catalyzes the AdoMet-dependent methylation of glycine to form sarcosine (N-methylglycine). Unlike most methyltransferases, GNMT is a tetrameric protein showing a positive cooperativity in AdoMet binding and weak inhibition by S-adenosylhomocysteine (AdoHcy). The first crystal structure of GNMT complexed with AdoMet showed a unique "closed" molecular basket structure, in which the N-terminal section penetrates and corks the entrance of the adjacent subunit. Thus, the apparent entrance or exit of the active site is not recognizable in the subunit structure, suggesting that the enzyme must possess a second, enzymatically active, "open" structural conformation. A new crystalline form of the R175K enzyme has been grown in the presence of an excess of AdoHcy, and its crystal structure has been determined at 3.0 A resolution. In this structure, the N-terminal domain (40 amino acid residues) of each subunit has moved out of the active site of the adjacent subunit, and the entrances of the active sites are now opened widely. An AdoHcy molecule has entered the site occupied in the "closed" structure by Glu15 and Gly16 of the N-terminal domain of the adjacent subunit. An AdoHcy binds to the consensus AdoMet binding site observed in the other methyltransferase. This AdoHcy binding site supports the glycine binding site (Arg175) deduced from a chemical modification study and site-directed mutagenesis (R175K). The crystal structures of WT and R175K enzymes were also determined at 2.5 A resolution. These enzyme structures have a closed molecular basket structure and are isomorphous to the previously determined AdoMet-GNMT structure. By comparing the open structure to the closed structure, mechanisms for auto-inhibition and for the forced release of the product AdoHcy have been revealed in the GNMT structure. The N-terminal section of the adjacent subunit occupies the AdoMet binding site and thus inhibits the methyltransfer reaction, whereas the same N-terminal section forces the departure of the potentially potent inhibitor AdoHcy from the active site and thus facilitates the methyltransfer reaction. Consequently GNMT is less active at a low level of AdoMet concentration, and is only weakly inhibited by AdoHcy. These properties of GNMT are particularly suited for regulation of the cellular AdoMet/AdoHcy ratio.