フルクトース-1,6-ビスリン酸によるピルビン酸キナーゼのアロステリック調節

背景：酵母ピルビン酸キナーゼ（PK）は、解糖の最終ステップを触媒します。したがって、酵素は重要な制御点を表し、フルクトース-1,6-ビスリン酸（FBP）によってアロステリー的に活性化されます。哺乳類では、酵素は異なる調節特性を持つ4つの異なるアイソザイムとして発見されています。これらのアイソザイムのうち2つは、代替スプライシングによって生成されます。PKのアロステリック調節は、腫瘍細胞におけるアロステリックに調節されたアイソザイムの発現によって示されるように、特定の細胞タイプの増殖に直接関連しています。不活性（T）状態からアクティブ（R）状態へのアロステリック遷移のモデルは以前に提案されていましたが、これまでFBP結合部位は特定されていませんでした。 結果：結合したFBPの存在下および非存在下で、基質アナログおよび触媒金属イオンで複合した酵母からのPKの構造をここで報告します。アロステリック部位は、活性部位から40 Aに位置し、完全に酵素調節（C）ドメインにあります。アロステリック活性化因子のリン酸結合部位は、哺乳類アイソザイムの交互にスプライスされたエクソンに対応する遺伝子の領域によってコードされる残基によって作成されます。FBPの活性化は、以前に仮説されていたように、重要なドメイン運動を伴う可能性が最も高いメカニズムを介して、アクティブサイトサイドチェーン間でいくつかの立体構造変化を誘導するようです。 結論：アロステリック活性化因子部位の構造と位置は、非規制性アイソザイムと調節された胎児アイソザイムを区別する多細胞真核生物におけるPK遺伝子の代替遺伝的スプライシングのパターンと一致します。非アクティブなPK酵素と完全に活性なPK酵素の活性部位間で観察される立体構造の違いは、天然ホスホエノールピルベート基板の酵素の親和性を高める「金属リレー」を介したアロステリック活性化の最近決定された熱力学的メカニズムと一致しています。

BACKGROUND: Yeast pyruvate kinase (PK) catalyzes the final step in glycolysis. The enzyme therefore represents an important control point and is allosterically activated by fructose-1,6-bisphosphate (FBP). In mammals the enzyme is found as four different isozymes with different regulatory properties: two of these isozymes are produced by alternate splicing. The allosteric regulation of PK is directly related to proliferation of certain cell types, as demonstrated by the expression of an allosterically regulated isozyme in tumor cells. A model for the allosteric transition from the inactive (T) state to the active (R) state has been proposed previously, but until now the FBP-binding site had not been identified. RESULTS: We report here the structures of PK from yeast complexed with a substrate analog and catalytic metal ions in the presence and absence of bound FBP. The allosteric site is located 40 A from the active site and is entirely located in the enzyme regulatory (C) domain. A phosphate-binding site for the allosteric activator is created by residues encoded by a region of the gene corresponding to the alternately spliced exon of mammalian isozymes. FBP activation appears to induce several conformational changes among active-site sidechains through a mechanism that is most likely to involve significant domain motions, as previously hypothesized. CONCLUSIONS: The structure and location of the allosteric activator site agrees with the pattern of alternate genetic splicing of the PK gene in multicellular eukaryotes that distinguishes between a non-regulated isozyme and the regulated fetal isozymes. The conformational differences observed between the active sites of inactive and fully active PK enzymes is in agreement with the recently determined thermodynamic mechanism of allosteric activation through a 'metal relay' that increases the affinity of the enzyme for its natural phosphoenolpyruvate substrate.