グリコーゲン生合成の自己触媒イニシエーターの結晶構造、グリコーゲン

グリコーゲンは、細菌から人間まで、多くの生物に存在するグルコースの重要な貯蔵保護区です。その生合成は、UDP-グルコースからグルコースを移植するという異常な特性を持つ特殊なタンパク質であるグリコーニンによって開始され、TYR194でそれ自体に共有結合したオリゴ糖を形成します。グリコーゲンシンターゼと分岐酵素は、多糖類の合成を完成させます。グリコーニンの構造は、2つの異なる結晶形で解決されました。四角い結晶は、不適切な非結晶学の10倍関係に配置された非対称ユニットの二量体の五量体を含み、斜方晶結晶は、二量体を形成するために2倍の結晶学軸を約2倍に配置する非対称ユニットにモノマーを含んでいた。構造は、最初に四角結晶形式と3波長のSE-MET多波長異常な回折（MAD）実験を使用して3.4 Aに解決されました。その後、グリコーニンとUDP-グルコース/Mn2+の間のアポ酵素構造と複合体は、オルソロン結晶型を使用して1.9 Aに分子置換によって解決されました。グリコーニンには、ほとんどのグリコシルトランスフェラーゼのヌクレオチド結合ドメインに共通する保存されたDXDモチーフとN末端ベータアルファベータロスマン様foldが含まれています。グリコシルトランスフェラーゼの間の配列同一性は最小限ですが、全体的な折り目は類似しています。これらのすべての酵素では、DXDモチーフは、触媒的な二重陽イオン、最も一般的にMn2+の調整に不可欠です。UDP-グルコース分子と関連するMN2+がルイス酸として機能し、退去群UDPを安定化し、酵素活性部位でのグルコース部分の中間核cappアクセプターへの伝達を促進するメカニズムを提案します。。ASP162への過渡移動に続いて、グルコース部分は、Tyr194またはTyr194にすでに付着したグルコース残基に直接最終アクセプターに送達されます。グリコーニン構造におけるTyr194から遠く離れた縛られたUDP-グルコースの位置は、最初のグルコース残基の付着メカニズムに関して疑問を提起します。おそらく、初期のグルコシル化は、後のオリゴ糖合成で採用された分子内メカニズムを伴う粒子間触媒によるものです。

Glycogen is an important storage reserve of glucose present in many organisms, from bacteria to humans. Its biosynthesis is initiated by a specialized protein, glycogenin, which has the unusual property of transferring glucose from UDP-glucose to form an oligosaccharide covalently attached to itself at Tyr194. Glycogen synthase and the branching enzyme complete the synthesis of the polysaccharide. The structure of glycogenin was solved in two different crystal forms. Tetragonal crystals contained a pentamer of dimers in the asymmetric unit arranged in an improper non-crystallographic 10-fold relationship, and orthorhombic crystals contained a monomer in the asymmetric unit that is arranged about a 2-fold crystallographic axis to form a dimer. The structure was first solved to 3.4 A using the tetragonal crystal form and a three-wavelength Se-Met multi-wavelength anomalous diffraction (MAD) experiment. Subsequently, an apo-enzyme structure and a complex between glycogenin and UDP-glucose/Mn2+ were solved by molecular replacement to 1.9 A using the orthorhombic crystal form. Glycogenin contains a conserved DxD motif and an N-terminal beta-alpha-beta Rossmann-like fold that are common to the nucleotide-binding domains of most glycosyltransferases. Although sequence identity amongst glycosyltransferases is minimal, the overall folds are similar. In all of these enzymes, the DxD motif is essential for coordination of the catalytic divalent cation, most commonly Mn2+. We propose a mechanism in which the Mn2+ that associates with the UDP-glucose molecule functions as a Lewis acid to stabilize the leaving group UDP and to facilitate the transfer of the glucose moiety to an intermediate nucleophilic acceptor in the enzyme active site, most likely Asp162. Following transient transfer to Asp162, the glucose moiety is then delivered to the final acceptor, either directly to Tyr194 or to glucose residues already attached to Tyr194. The positioning of the bound UDP-glucose far from Tyr194 in the glycogenin structure raises questions as to the mechanism for the attachment of the first glucose residues. Possibly the initial glucosylation is via inter-dimeric catalysis with an intra-molecular mechanism employed later in oligosaccharide synthesis.