リボヌクレオチド還元酵素の構造、機能、およびメカニズム

リボヌクレオチドレダクターゼ（RNR）は、リボヌクレオチドの2'-デオキシリボヌクレオチドへの変換の原因となる酵素であり、それにより、DNAの合成と修復の両方に必要な前駆体を提供します。近年、RNRの3つのクラスすべてのタンパク質サブユニットの多くの新しい結晶構造が得られています。このレビューでは、最近の構造的および分光研究に焦点を当て、機械的特性に対するより深い洞察、およびRNRのさまざまなクラス間の進化的関係と多様性を提供しました。RNR酵素の3つの異なるクラスは、触媒活性の異なる金属補因子に依存していますが、3つのクラスはすべて、アルファ/ベータバレル構造モチーフの中心にあるタンパク質ループの先端にある活性部位に保存されたシステイン残基を持っています。。このシステイン残基は、RNRの3つのクラスすべてで基質代謝回転を開始するチルラジカルに変換されると考えられています。機能的および構造的な類似性は、現在のRNRがすべて共通の祖先レダクターゼから進化したことを示唆しています。それにもかかわらず、RNRの3つのクラスで見つかった異なる補因子は、RNRタンパク質を、ジロン酸素タンパク質、コバラミン依存性タンパク質、SAM依存性鉄硫黄タンパク質など、非常に多様なタンパク質ファミリーの興味深いモデルシステムにします。また、RNRの3つのクラスのそれぞれに大きなバリエーションがあります。クラスI RNRのR2タンパク質の新しい構造を使用して、マウスと大腸菌のR2のディイロン中心を比較しました。R2タンパク質は、異なる酸化還元型の動的なカルボキシレート、ラジカル、および水シフトを示し、新しいラジカル形態は非ラジカル形態とは異なります。マウスR2では、鉄（II）またはコバルト（II）の4つの金属部位への結合は、高い協同性を示しています。クラスI RNRの通常のケースであるホモダイマーとは対照的に、ヘテロダイマーで構成されるベイカー酵母のRNRには、ユニークな状況があります。リボヌクレオチドの還元はDNA合成の速度制限ステップであるため、RNRは細胞成長制御の重要な標的であり、哺乳類細胞におけるR2タンパク質のp53誘導アイソフォームの最近の発見は、細胞周期のさまざまな段階でのRNR。

Ribonucleotide reductase (RNR) is the enzyme responsible for the conversion of ribonucleotides to 2'-deoxyribonucleotides and thereby provides the precursors needed for both synthesis and repair of DNA. In the recent years, many new crystal structures have been obtained of the protein subunits of all three classes of RNR. This review will focus upon recent structural and spectroscopic studies, which have offered deeper insight to the mechanistic properties as well as evolutionary relationship and diversity among the different classes of RNR. Although the three different classes of RNR enzymes depend on different metal cofactors for the catalytic activity, all three classes have a conserved cysteine residue at the active site located on the tip of a protein loop in the centre of an alpha/beta-barrel structural motif. This cysteine residue is believed to be converted into a thiyl radical that initiates the substrate turnover in all three classes of RNR. The functional and structural similarities suggest that the present-day RNRs have all evolved from a common ancestral reductase. Nevertheless, the different cofactors found in the three classes of RNR make the RNR proteins into interesting model systems for quite diverse protein families, such as diiron-oxygen proteins, cobalamin-dependent proteins, and SAM-dependent iron-sulfur proteins. There are also significant variations within each of the three classes of RNR. With new structures available of the R2 protein of class I RNR, we have made a comparison of the diiron centres in R2 from mouse and Escherichia coli. The R2 protein shows dynamic carboxylate, radical, and water shifts in different redox forms, and new radical forms are different from non-radical forms. In mouse R2, the binding of iron(II) or cobalt(II) to the four metal sites shows high cooperativity. A unique situation is found in RNR from baker's yeast, which is made up of heterodimers, in contrast to homodimers, which is the normal case for class I RNR. Since the reduction of ribonucleotides is the rate-limiting step of DNA synthesis, RNR is an important target for cell growth control, and the recent finding of a p53-induced isoform of the R2 protein in mammalian cells has increased the interest for the role of RNR during the different phases of the cell cycle.