先祖のGTPase活性を模倣するために現存するATPase活性部位の再定式化は、機能のヌクレオチド塩基要件を明らかにします

ヌクレオシド三リン酸の加水分解は、同様の量のエネルギーを放出します。ただし、ATP加水分解は通常、エネルギー集約的な反応に使用されますが、GTP加水分解は通常スイッチとして機能します。Spoivaは細菌の細胞骨格タンパク質であり、Bacillus Subtilisの胞子形成中にATPを加水分解して不可逆的に重合します。Spoivaは、P-LoopGTPaseのTRAFACクラスから進化しましたが、ヌクレオチド特異性のこの変化を促進する進化的圧力は不明です。したがって、Spoivaのヌクレオチド結合ポケットを再設計して、その先祖GTPase活性を模倣しました。SpoivagtPaseはGTPaseとして適切に機能しましたが、重合に必要であると報告するNDP結合中間体を形成しなかったために重合することができませんでした。さらに、ATPを制限するSpoivagTPaseのインキュベーションは、効率的な重合を促進しませんでした。このアプローチは、加水分解から放出されたエネルギーに加えて、ヌクレオチド塩基が特定の生物学的機能において重要であることが明らかになった。また、胞子形成の終了時にGTPと比較してATPのレベルの増加が、スポイバのヌクレオチド選好の変化を促進する進化的圧力であることを示唆するデータを提示します。

Hydrolysis of nucleoside triphosphates releases similar amounts of energy. However, ATP hydrolysis is typically used for energy-intensive reactions, whereas GTP hydrolysis typically functions as a switch. SpoIVA is a bacterial cytoskeletal protein that hydrolyzes ATP to polymerize irreversibly during Bacillus subtilis sporulation. SpoIVA evolved from a TRAFAC class of P-loop GTPases, but the evolutionary pressure that drove this change in nucleotide specificity is unclear. We therefore reengineered the nucleotide-binding pocket of SpoIVA to mimic its ancestral GTPase activity. SpoIVAGTPase functioned properly as a GTPase but failed to polymerize because it did not form an NDP-bound intermediate that we report is required for polymerization. Further, incubation of SpoIVAGTPase with limiting ATP did not promote efficient polymerization. This approach revealed that the nucleotide base, in addition to the energy released from hydrolysis, can be critical in specific biological functions. We also present data suggesting that increased levels of ATP relative to GTP at the end of sporulation was the evolutionary pressure that drove the change in nucleotide preference in SpoIVA.