ヒストン脱アセチラーゼ8のプロトンシャトル反応メカニズムと金属イオンの触媒的役割

亜鉛依存性ヒストン脱アセチラーゼ8（HDAC8）は、ヒストン尾部からのアセチル部分の除去を触媒し、クロマチン構造と遺伝子発現の調節に非常に関与しています。その触媒プロセスの詳細な知識は、新しい抗腫瘍薬の開発の最も有望な標的として確立されているため、非常に重要です。生まれたオプペンハイマーAB initio QM/mm分子動力学シミュレーションと傘サンプリングを採用することにより、酵素反応をシミュレートする最先端のアプローチである傘のサンプリングを使用することにより、Zinc-の一般的に提案された一般的な酸塩基触媒ペアメカニズムに対してさらなる証拠を提供しました。依存性ヒストン脱アセチルゼ。代わりに、我々の結果は、HDAC8がプロトンシャトル触媒メカニズムを採用していることを示しています。この触媒メカニズムでは、中性His143が最初に亜鉛結合水分子からプロトンを受け入れる一般的な基盤として機能し、初期速度決定ヌクレイ酸攻撃ステップで亜鉛結合水分子からプロトンを受け入れ、次にシャットルをシャットルします。それはアミド窒素原子にアミド結合の切断を促進します。脱アセチル化プロセス中、Zn（2+）イオンはその配位モードを変更し、複数の触媒役割を演じます。触媒Zn（2+）イオンから約7 aに位置し、クラスIおよびII HDACSで保存されているK（+）イオンの場合、我々のシミュレーションは、その除去が異なる遷移状態構造とより高い自由につながることを示しましたレート決定ステップのエネルギー反応障壁。この保存されたk（+）イオンの存在は、基質結合を強化し、His143の塩基性を増加させ、亜鉛イオンの触媒的役割を強化し、酵素環境による遷移状態の安定化を改善することがわかっています。

Zinc-dependent histone deacetylase 8 (HDAC8) catalyzes the removal of acetyl moieties from histone tails, and is critically involved in regulating chromatin structure and gene expression. The detailed knowledge of its catalytic process is of high importance since it has been established as a most promising target for the development of new antitumor drugs. By employing Born-Oppenheimer ab initio QM/MM molecular dynamics simulations and umbrella sampling, a state-of-the-art approach to simulate enzyme reactions, we have provided further evidence against the originally proposed general acid-base catalytic pair mechanism for Zinc-dependent histone deacetylases. Instead, our results indicated that HDAC8 employs a proton-shuttle catalytic mechanism, in which a neutral His143 first serves as the general base to accept a proton from the zinc-bound water molecule in the initial rate-determining nucleophilic attack step, and then shuttles it to the amide nitrogen atom to facilitate the cleavage of the amide bond. During the deacetylation process, the Zn(2+) ion changes its coordination mode and plays multiple catalytic roles. For the K(+) ion, which is located about 7 A from the catalytic Zn(2+) ion and conserved in class I and II HDACs, our simulations indicated that its removal would lead to the different transition state structure and a higher free energy reaction barrier for the rate-determining step. It is found that the existence of this conserved K(+) ion would enhance the substrate binding, increase the basicity of His143, strengthen the catalytic role of zinc ion, and improve the transition state stabilization by the enzyme environment.