Streptomyces coelicolorのGTPシクロヒドラーゼIIタンパク質における新しい機能の進化

Streptomyces Coelicolorのゲノム配列には、GTPシクロヒドラーゼII（GCH II）に有意な（> 40％）アミノ酸同一性を持つタンパク質をコードする3つのオープンリーディングフレーム（SCO1441、SCO2687、およびSCO6655）が含まれています。リボフラビン。S. coelicolorにおけるこれらのタンパク質の冗長性の生理学的意義は不明です。ただし、3つのタンパク質の遺伝子コンテキストは異なり、代替生物学的ニッチに役立つ可能性があることを示唆しています。3つのタンパク質のそれぞれは、大腸菌で過剰発現し、その機能が生物学的に重複しているかどうかを判断するために特徴付けられました。精製されると、各タンパク質には1モルの亜鉛/molのタンパク質が含まれており、グアノシン5'-三リン酸（GTP）を基質として利用します。これらのタンパク質のうち2つ（SCO 1441およびSCO 2687）は、GCH II、2,5-ジアミノ-6-リボシルアミノ-4（3H） - ピリミジノン5'-リン酸（APY）の標準産物を生成します。しかし、驚くべきことに、3つのタンパク質（SCO 6655）は、紫外線分光測光測定で示されているように、GTPを2-アミノ-5-フルミラミノ-6-リボシルアミノ-4（3H） - ピリミジノン5'-リン酸（FAPY）に変換します。質量分析、およびNMR。この活性は、Methanocaldococcus Jannaschii [Graham、D。E.、Xu、H.、およびWhite、R。H.（2002）生化学41、15074-15084]のGTPシクロヒドラーゼIIIタンパク質について報告されています。これらのタンパク質の配列の比較と大腸菌GCH IIタンパク質の構造へのマッピング[Ren、J.、Kotaka、M.、Lockyer、M.、Lamb、H。K.、Hawkins、A。R.およびStammers、D。K.（2005）J。Biol。化学。280、36912-36919] SCO 6655で観察されたGTPの運命の変化の原因であると思われるスイッチ残基Met120の識別を許可しました。TYRは、GTPのAPYへの変換を触媒することが示されているすべてのタンパク質の類似の位置にあります。SCO 6655のMet120Tyrバリアントは、GTPのAPYへの変換を触媒する能力を獲得し、反応の後期におけるTyr120の役割を示唆しています。私たちのデータは、新しい機能の進化を促進するS. CoelicolorのGCH IIの複製と一致しています。GCH IIホモログを収容する遺伝子クラスターの生理学的役割について説明します。

The genome sequence of Streptomyces coelicolor contains three open reading frames (sco1441, sco2687, and sco6655) that encode proteins with significant (>40%) amino acid identity to GTP cyclohydrolase II (GCH II), which catalyzes the committed step in the biosynthesis of riboflavin. The physiological significance of the redundancy of these proteins in S. coelicolor is not known. However, the gene contexts of the three proteins are different, suggesting that they may serve alternate biological niches. Each of the three proteins was overexpressed in Escherichia coli and characterized to determine if their functions are biologically overlapping. As purified, each protein contains 1 molar equiv of zinc/mol of protein and utilizes guanosine 5'-triphosphate (GTP) as substrate. Two of these proteins (SCO 1441 and SCO 2687) produce the canonical product of GCH II, 2,5-diamino-6-ribosylamino-4(3H)-pyrimidinone 5'-phosphate (APy). Remarkably, however, one of the three proteins (SCO 6655) converts GTP to 2-amino-5-formylamino-6-ribosylamino-4(3H)-pyrimidinone 5'-phosphate (FAPy), as shown by UV-visible spectrophotometry, mass spectrometry, and NMR. This activity has been reported for a GTP cyclohydrolase III protein from Methanocaldococcus jannaschii [Graham, D. E., Xu, H., and White, R. H. (2002) Biochemistry 41, 15074-15084], which has no amino acid sequence homology to SCO 6655. Comparison of the sequences of these proteins and mapping onto the structure of the E. coli GCH II protein [Ren, J., Kotaka, M., Lockyer, M., Lamb, H. K., Hawkins, A. R., and Stammers, D. K. (2005) J. Biol. Chem. 280, 36912-36919] allowed identification of a switch residue, Met120, which appears to be responsible for the altered fate of GTP observed with SCO 6655; a Tyr is found in the analogous position of all proteins that have been shown to catalyze the conversion of GTP to APy. The Met120Tyr variant of SCO 6655 acquires the ability to catalyze the conversion of GTP to APy, suggesting a role for Tyr120 in the late phase of the reaction. Our data are consistent with duplication of GCH II in S. coelicolor promoting evolution of a new function. The physiological role(s) of the gene clusters that house GCH II homologues will be discussed.