CTP阻害複合体の構造からのシチジン三リン酸シンテターゼにおける製品フィードバック調節と薬剤耐性のメカニズム

シチジン三リン酸シンテターゼ（CTPS）はCTPを合成し、4つのリボヌクレオチド三リン酸との直接的な相互作用を通じて細胞内濃度を調節します。特に、CTP産物は、UTP基質と競合するフィードバック阻害剤です。ピリミジン抗菌剤阻害剤に耐性を付与する選択されたCTP変異もCTP阻害を緩和し、細胞内CTP濃度の劇的な増加を引き起こし、CTP阻害部位に結合することにより薬物が作用することを示しています。抵抗変異は、隣接していますが、Apo Escherichia coli CTPS [ECCTPS;Endrizzi、J。A。、et al。（2004）生化学43、6447-6463]、競争的抑制ではなくアロステリックを示唆する。ここでは、結合したCTPとADPを、ATPおよびUTP基質またはADPおよびCTP産物のいずれかに浸した触媒活性ECCTPS結晶で視覚化されました。CTPシトシン環は耐性変異によって予測されるポケットに存在しますが、三リン酸部分は推定UTP三リン酸結合部位と重複しており、CTP耐性変異が触媒効率を喪失することなく獲得される一方でCTPがUTPと競合する方法を説明します。界面結合部位での広範な相補性と相互作用ネットワークは、ピリミジン三リン酸の高い特異性を提供し、ヌクレオチド依存性テトラマー形成を媒介します。全体として、これらの結果は、共有された基質と製品の部分が単一のサブサイトに結合し、特異性が個別のサブサイトによって付与される新しい製品阻害戦略を描写しています。この配置により、酵素表面を効率的に利用しながら、UTPおよびCTP結合親和性の独立した適応が可能になります。

Cytidine triphosphate synthetases (CTPSs) synthesize CTP and regulate its intracellular concentration through direct interactions with the four ribonucleotide triphosphates. In particular, CTP product is a feedback inhibitor that competes with UTP substrate. Selected CTPS mutations that impart resistance to pyrimidine antimetabolite inhibitors also relieve CTP inhibition and cause a dramatic increase in intracellular CTP concentration, indicating that the drugs act by binding to the CTP inhibitory site. Resistance mutations map to a pocket that, although adjacent, does not coincide with the expected UTP binding site in apo Escherichia coli CTPS [EcCTPS; Endrizzi, J. A., et al. (2004) Biochemistry 43, 6447-6463], suggesting allosteric rather than competitive inhibition. Here, bound CTP and ADP were visualized in catalytically active EcCTPS crystals soaked in either ATP and UTP substrates or ADP and CTP products. The CTP cytosine ring resides in the pocket predicted by the resistance mutations, while the triphosphate moiety overlaps the putative UTP triphosphate binding site, explaining how CTP competes with UTP while CTP resistance mutations are acquired without loss of catalytic efficiency. Extensive complementarity and interaction networks at the interfacial binding sites provide the high specificity for pyrimidine triphosphates and mediate nucleotide-dependent tetramer formation. Overall, these results depict a novel product inhibition strategy in which shared substrate and product moieties bind to a single subsite while specificity is conferred by separate subsites. This arrangement allows for independent adaptation of UTP and CTP binding affinities while efficiently utilizing the enzyme surface.