Scott NelsonVerified
Verified Account
Verified
Enzymology of DNA Replication and Repair
Biochemistry PhD, Iowa State University
+ 1 more
Member for 24 days
Dr. Nelson is an Associate Professor with tenure in the Department of Biochemistry, Biophysics, and Molecular Biology at Iowa State University. His lab investigates the molecular mechanisms of DNA replication and repair with a focus on infectious organisms.
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Active user
Key Stats
Upvotes received:
23
Publications:
57
(63% Open Access)
Cited by:
777
h-index:
18
/
i10-index:
31
Reputation
Ecology
76%
Molecular Biology
68%
Cancer Research
61%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Biochemical Characterization of Bacteriophage T4 Mre11-Rad50 Complex

Timothy Herdendorf et al.Nov 17, 2010
The Mre11-Rad50 complex (MR) from bacteriophage T4 (gp46/47) is involved in the processing of DNA double-strand breaks. Here, we describe the activities of the T4 MR complex and its modulation by proteins involved in homologous recombination. T4 Mre11 is a Rad50- and Mn2+-dependent dsDNA exonuclease and ssDNA endonuclease. ATP hydrolysis is required for the removal of multiple nucleotides via dsDNA exonuclease activity but not for the removal of the first nucleotide or for ssDNA endonuclease activity, indicating ATP hydrolysis is only required for repetitive nucleotide removal. By itself, Rad50 is a relatively inefficient ATPase, but the presence of Mre11 and dsDNA increases ATP hydrolysis by 20-fold. The ATP hydrolysis reaction exhibits positive cooperativity with Hill coefficients ranging from 1.4 for Rad50 alone to 2.4 for the Rad50-Mre11-DNA complex. Kinetic assays suggest that approximately four nucleotides are removed per ATP hydrolyzed. Directionality assays indicate that the prevailing activity is a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease, which is incompatible with the proposed role of MR in the production of 3′ ssDNA ends. Interestingly, we found that in the presence of a recombination mediator protein (UvsY) and ssDNA-binding protein (gp32), Mre11 is capable of using Mg2+ as a cofactor for its nuclease activity. Additionally, the Mg2+-dependent nuclease activity, activated by UvsY and gp32, results in the formation of endonuclease reaction products. These results suggest that gp32 and UvsY may alter divalent cation preference and facilitate the formation of a 3′ ssDNA overhang, which is a necessary intermediate for recombination-mediated double-strand break repair. The Mre11-Rad50 complex (MR) from bacteriophage T4 (gp46/47) is involved in the processing of DNA double-strand breaks. Here, we describe the activities of the T4 MR complex and its modulation by proteins involved in homologous recombination. T4 Mre11 is a Rad50- and Mn2+-dependent dsDNA exonuclease and ssDNA endonuclease. ATP hydrolysis is required for the removal of multiple nucleotides via dsDNA exonuclease activity but not for the removal of the first nucleotide or for ssDNA endonuclease activity, indicating ATP hydrolysis is only required for repetitive nucleotide removal. By itself, Rad50 is a relatively inefficient ATPase, but the presence of Mre11 and dsDNA increases ATP hydrolysis by 20-fold. The ATP hydrolysis reaction exhibits positive cooperativity with Hill coefficients ranging from 1.4 for Rad50 alone to 2.4 for the Rad50-Mre11-DNA complex. Kinetic assays suggest that approximately four nucleotides are removed per ATP hydrolyzed. Directionality assays indicate that the prevailing activity is a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease, which is incompatible with the proposed role of MR in the production of 3′ ssDNA ends. Interestingly, we found that in the presence of a recombination mediator protein (UvsY) and ssDNA-binding protein (gp32), Mre11 is capable of using Mg2+ as a cofactor for its nuclease activity. Additionally, the Mg2+-dependent nuclease activity, activated by UvsY and gp32, results in the formation of endonuclease reaction products. These results suggest that gp32 and UvsY may alter divalent cation preference and facilitate the formation of a 3′ ssDNA overhang, which is a necessary intermediate for recombination-mediated double-strand break repair. IntroductionReplication in T4 3The abbreviations used are: T4 phagebacteriophage T4DSBdouble-strand breakHRhomologous recombinationgp46T4 gene product 46gp47T4 gene product 47gp32T4 gene product 32UvsYUV sensitivity protein YMRMre11-Rad50SMCstructural maintenance of chromosomesABCATP binding cassette2-AP2-aminopurineRDRrecombination-dependent DNA replicationPEIpolyethyleneimineAMP-PNPadenosine 5′-(β,γ-imino)triphosphate. phage is initiated through origin-dependent and -independent pathways (1Mosig G. Colowick N. Gruidl M.E. Chang A. Harvey A.J. FEMS Microbiol. Rev. 1995; 17: 83-98Crossref PubMed Google Scholar). The origin-dependent pathway relies on the host cell RNA polymerase to synthesize an mRNA transcript, which is then processed and remains stably bound at the origin in what is known as an R-loop (2Belanger K.G. Kreuzer K.N. Mol. Cell. 1998; 2: 693-701Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (23) Google Scholar). The origin-independent pathway relies on homologous recombination (HR) within or between phage genome(s) (3Mosig G. Annu. Rev. Genet. 1998; 32: 379-413Crossref PubMed Scopus (154) Google Scholar). HR is essential to the lifecycle of T4 phage because the origin-dependent mode of initiation ends after only a few rounds of replication (4Miller E.S. Kutter E. Mosig G. Arisaka F. Kunisawa T. Rüger W. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2003; 67: 86-156Crossref PubMed Scopus (538) Google Scholar). A strong link between recombination and DNA repair was recognized early on using T4 phage as a model system (for review, see Ref. 5George J.W. Stohr B.A. Tomso D.J. Kreuzer K.N. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001; 98: 8290-8297Crossref PubMed Scopus (32) Google Scholar). In the late 1960s it was reported that certain genes when mutated severely affected replication, recombination, and DNA repair (6Lielausis A. Epstein R.H. Bolle A. Steinberg C.M. Kellenberger E. Boy De La Tour E. Chevalley R. Edgar R.S. Susman M. Denhardt G.H. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. 1963; : 375Google Scholar). Indeed, the current models of DNA double-strand break (DSB) repair share many of the same steps as recombination-mediated initiation of replication (7George J.W. Kreuzer K.N. Genetics. 1996; 143: 1507-1520Crossref PubMed Google Scholar, 8Krogh B.O. Symington L.S. Annu. Rev. Genet. 2004; 38: 233-271Crossref PubMed Scopus (624) Google Scholar).DSBs are one of the most lethal forms of DNA damage, and unless repaired they may lead to gross chromosomal rearrangements, deletions, duplications, or cell death (9Helleday T. Lo J. van Gent D.C. Engelward B.P. DNA Repair. 2007; 6: 923-935Crossref PubMed Scopus (499) Google Scholar, 10Povirk L.F. DNA Repair. 2006; 5: 1199-1212Crossref PubMed Scopus (98) Google Scholar). DSBs are caused by exogenous agents such as ionizing and ultraviolet radiation and chemical mutagens or endogenous agents such as reactive oxygen species. In eukaryotic cells, DSBs are repaired through two pathways, non-homologous end joining (NHEJ) and HR; however, in T4 phage it appears that all DSBs are repaired through HR (4Miller E.S. Kutter E. Mosig G. Arisaka F. Kunisawa T. Rüger W. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2003; 67: 86-156Crossref PubMed Scopus (538) Google Scholar, 11Shrivastav M. De Haro L.P. Nickoloff J.A. Cell Res. 2008; 18: 134-147Crossref PubMed Scopus (966) Google Scholar).The biochemical activities necessary for HR have been identified, and in most cases, the proteins responsible for these activities are known (8Krogh B.O. Symington L.S. Annu. Rev. Genet. 2004; 38: 233-271Crossref PubMed Scopus (624) Google Scholar, 12San Filippo J. Sung P. Klein H. Annu. Rev. Biochem. 2008; 77: 229-257Crossref PubMed Scopus (1140) Google Scholar, 13Valerie K. Povirk L.F. Oncogene. 2003; 22: 5792-5812Crossref PubMed Scopus (478) Google Scholar). HR begins with the processing of a dsDNA end to produce a 3′ ssDNA overhang. In Escherichia coli, this step is performed by the well characterized helicase-nuclease complex, RecBCD (14Dillingham M.S. Kowalczykowski S.C. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2008; 72: 642-671Crossref PubMed Scopus (373) Google Scholar). However, the genomes of eukaryotes, Archaea, and T4 phage do not contain any obvious RecBCD orthologs, and it appears that the Mre11-Rad50 (MR) complex together with other proteins specific to each system perform the analogous function (15Connelly J.C. Leach D.R.F. Trends Biochem. Sci. 2002; 27: 410-418Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (107) Google Scholar). After end resection, the recombinase (RecA or RecA ortholog) binds to the ssDNA and forms a nucleoprotein filament that is capable of undergoing strand invasion and exchange with homologous DNA templates (16Roca A.I. Cox M.M. Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. 1997; 56: 129-223Crossref PubMed Google Scholar). This strand invasion event produces a D-loop structure that acts as a scaffold and primer for DNA synthesis (17Kreuzer K.N. Annu. Rev. Microbiol. 2005; 59: 43-67Crossref PubMed Scopus (77) Google Scholar). The HR pathway ends with either the resolution of the Holliday junction by a nuclease or the dissociation and strand annealing of the newly synthesized DNA strands (18Symington L.S. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2002; 66: 630-670Crossref PubMed Scopus (810) Google Scholar).In T4 phage, all of the proteins implicated in HR are well characterized except for Mre11 and Rad50 (gp47 and gp46, respectively) (19Raaijmakers H. Vix O. Törõ I. Golz S. Kemper B. Suck D. EMBO J. 1999; 18: 1447-1458Crossref PubMed Scopus (111) Google Scholar, 20Hinton D.M. Nossal N.G. J. Biol. Chem. 1986; 261: 5663-5673Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 21Derr L.K. Kreuzer K.N. J. Mol. Biol. 1990; 214: 643-656Crossref PubMed Scopus (23) Google Scholar, 22Morrical S.W. Alberts B.M. J. Biol. Chem. 1990; 265: 15096-150103Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 23Shamoo Y. Friedman A.M. Parsons M.R. Konigsberg W.H. Steitz T.A. Nature. 1995; 376: 362-366Crossref PubMed Scopus (221) Google Scholar, 24Nelson S.W. Zhuang Z. Spiering M.M. Benkovic S.J. Viral Genome Replication. Springer, New York2009: 337-364Crossref Scopus (5) Google Scholar). In eukaryotic systems, the MR complex has long been associated with the repair of DSBs (25Sharples G.J. Leach D.R. Mol. Microbiol. 1995; 17: 1215-1217Crossref PubMed Scopus (192) Google Scholar). In Saccharomyces cerevisiae, null mutants of Mre11, Rad50, or Xrs2 (a third protein found in the S. cerevisiae MR complex) are unable to initiate and process meiotic DSBs and are sensitive to DNA-damaging agents that produce DSBs such as ionizing radiation or methylmethane sulfonate (18Symington L.S. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2002; 66: 630-670Crossref PubMed Scopus (810) Google Scholar). This led to a proposal that the MR complex is responsible for resection (5′ to 3′ dsDNA exonuclease activity) of DSBs (26Ivanov E.L. Sugawara N. White C.I. Fabre F. Haber J.E. Mol. Cell Biol. 1994; 14: 3414-3425Crossref PubMed Scopus (203) Google Scholar). However, in vitro, the eukaryotic MR complex exhibits a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease and ssDNA endonuclease activity (27Trujillo K.M. Yuan S.S. Lee E.Y. Sung P. J. Biol. Chem. 1998; 273: 21447-21450Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (323) Google Scholar, 28Trujillo K.M. Sung P. J. Biol. Chem. 2001; 276: 35458-35464Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (210) Google Scholar). The products of these activities are not 3′ ssDNA overhangs, and therefore, the true function of the MR complex has been elusive.Rad50 is a member of the SMC (structural maintenance of chromosome family of proteins), which are in turn members of the ATP binding cassette (ABC) superfamily. All known ABC protein family members are dimeric and bind ATP at the interface between two monomers. It is thought that the energy of ATP hydrolysis is used to drive conformational changes within the ABC protein/domain, which are then propagated to other associated proteins or domains (29Oldham M.L. Davidson A.L. Chen J. Curr. Opin. Struct. Biol. 2008; 18: 726-733Crossref PubMed Scopus (202) Google Scholar). Most ABC protein family members are membrane transporters, such as the Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator transporter and p-glycoprotein, which, when mutated, cause cystic fibrosis and multidrug resistance, respectively (30Davidson A.L. Dassa E. Orelle C. Chen J. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2008; 72: 317-364Crossref PubMed Scopus (937) Google Scholar). In addition to transporters, the DNA repair enzymes MutS and RecF are ABC proteins. The structure of the nucleotide binding domain of Pyrococcus furiosus (Pfu) Rad50 has been solved in the apo- and ATP-bound forms (31Hopfner K.P. Karcher A. Shin D.S. Craig L. Arthur L.M. Carney J.P. Tainer J.A. Cell. 2000; 101: 789-800Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (803) Google Scholar). The structures reveal significant conformational rearrangements that occur upon ATP binding and/or hydrolysis, which are thought to control the activity of Mre11 (32Hopfner K.P. Tainer J.A. Curr. Opin. Struct. Biol. 2003; 13: 249-255Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar). Rad50 and related SMC proteins have an unusual architecture where the ABC protein motifs are split by a long coiled-coil region. In Rad50, the apex of the coiled-coil contains a conserved CXXC motif, which dimerizes with a second Rad50 monomer to create a zinc binding site similar to a zinc finger (33Hopfner K. Craig L. Moncalian G. Zinkel R.A. Usui T. Owen B.A.L. Karcher A. Henderson B. Bodmer J. McMurray C.T. Carney J.P. Petrini J.H.J. Tainer J.A. Nature. 2002; 418: 562-566Crossref PubMed Scopus (411) Google Scholar). The purpose of the coiled-coil motif is not entirely clear, but it is thought to be involved in tethering the DSB to a homologous template or tethering the two ends of the DSB to each other (15Connelly J.C. Leach D.R.F. Trends Biochem. Sci. 2002; 27: 410-418Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (107) Google Scholar). In eukaryotes the coiled-coil domain contains ∼900 amino acids, whereas in T4 phage the coiled-coil contains around 200 residues. Presumably, the long coiled-coil region in eukaryotes is responsible for the expression difficulties encountered with the eukaryotic proteins. To date, only microgram quantities of eukaryotic Rad50 have been purified (27Trujillo K.M. Yuan S.S. Lee E.Y. Sung P. J. Biol. Chem. 1998; 273: 21447-21450Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (323) Google Scholar, 28Trujillo K.M. Sung P. J. Biol. Chem. 2001; 276: 35458-35464Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (210) Google Scholar, 34Lee J.H. Paull T.T. Methods Enzymol. 2006; 408: 529-539Crossref PubMed Scopus (34) Google Scholar, 35Hopfner K.P. Karcher A. Shin D. Fairley C. Tainer J.A. Carney J.P. J. Bacteriol. 2000; 182: 6036-6041Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar).Mre11 is a member of the Ser/Thr protein phosphatase family, which contains four conserved motifs and requires divalent cations for activity (36Barford D. Das A.K. Egloff M.P. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1998; 27: 133-164Crossref PubMed Scopus (564) Google Scholar). Although the mutation of Mre11 has only a mild effect in S. cerevisiae (37Bressan D.A. Baxter B.K. Petrini J.H. Mol. Cell Biol. 1999; 19: 7681-7687Crossref PubMed Scopus (233) Google Scholar), in human cells the nuclease activity of Mre11 is essential, and its inactivation results in embryonic lethality and extreme sensitivity to ionizing radiation (38Buis J. Wu Y. Deng Y. Leddon J. Westfield G. Eckersdorff M. Sekiguchi J.M. Chang S. Ferguson D.O. Cell. 2008; 135: 85-96Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (242) Google Scholar). In humans, inherited Mre11 mutations cause ataxia telangiectasia-like disorder, the symptoms of which include hypersensitivity to ionizing radiation and cerebellar degeneration (39Stewart G.S. Maser R.S. Stankovic T. Bressan D.A. Kaplan M.I. Jaspers N.G. Raams A. Byrd P.J. Petrini J.H. Taylor A.M. Cell. 1999; 99: 577-587Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (839) Google Scholar). The Pfu Mre11 protein is dimeric and binds dsDNA near the dimeric interface (40Williams R.S. Moncalian G. Williams J.S. Yamada Y. Limbo O. Shin D.S. Groocock L.M. Cahill D. Hitomi C. Guenther G. Moiani D. Carney J.P. Russell P. Tainer J.A. Cell. 2008; 135: 97-109Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (359) Google Scholar). As mentioned above, in vitro assays reveal that Mre11 possesses a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease activity along with ssDNA endonuclease activity (27Trujillo K.M. Yuan S.S. Lee E.Y. Sung P. J. Biol. Chem. 1998; 273: 21447-21450Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (323) Google Scholar).Recently, several papers have clarified the role of the MR complex in the processing of DSBs. The Mimitou and Symington (41Mimitou E.P. Symington L.S. Nature. 2008; 455: 770-774Crossref PubMed Scopus (759) Google Scholar) and Ira and co-workers (42Zhu Z. Chung W.H. Shim E.Y. Lee S.E. Ira G. Cell. 2008; 134: 981-994Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (780) Google Scholar) laboratories simultaneously demonstrated that DSBs are processed through a two-step mechanism involving the MR complex, Sae2, ExoI, Sgs1, and Dna2. In the initial step, the MRX complex, in conjunction with Sae2, removes ∼100–200 bases from the 5′ end of the DNA. In the second step, ExoI or Sgs1 with Dna2 catalyze rapid and processive removal of thousands of bases from the 5′ end of the DNA. The resulting 3′ ssDNA overhang can undergo Rad51-dependent HR or Rad52-dependent single-strand annealing.In this report, we express, purify, and biochemically characterize the MR DNA repair complex from T4 phage. We find that the T4 MR complex shares all the same activities as its eukaryotic counterparts, but expression and purification of the Rad50 and Mre11 proteins is rapid and yields milligram quantities of purified proteins, which allows for the mechanistic examination of the complex. Our experiments indicate that the T4 MR complex is a DNA-activated ATPase, a Mn2+-dependent ssDNA endonuclease. and a Mn2+- and ATP-dependent 3′ to 5′ dsDNA exonuclease. ATP hydrolysis is positively cooperative with respect to ATP concentration, and during the exonuclease reaction four nucleotides are removed per ATP hydrolyzed. Although the observed 3′ to 5′ dsDNA exonuclease activity is incompatible with its proposed in vivo function, we find that the presence of two T4 recombination proteins, UvsY and gp32, alter the nuclease activity of the MR complex, which may promote the formation of a 3′ ssDNA recombinogenic end.DISCUSSIONBacteriophage T4 is a well established model system for investigating the biochemistry of proteins involved in DNA replication, recombination, and repair (3Mosig G. Annu. Rev. Genet. 1998; 32: 379-413Crossref PubMed Scopus (154) Google Scholar, 52Nossal N.G. FASEB J. 1992; 6: 871-878Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 53Benkovic S.J. Valentine A.M. Salinas F. Annu. Rev. Biochem. 2001; 70: 181-208Crossref PubMed Scopus (271) Google Scholar). Studies using the T4 phage model system led to the first proposed model for recombination-dependent DNA replication (RDR) (54Mosig G. Ehring R. Duerr E.O. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 1968; 33: 361-369Crossref PubMed Scopus (10) Google Scholar). The RDR model begins with the formation of a single-stranded 3′ DNA end that subsequently undergoes strand invasion and pairing with a homologous dsDNA template. The single-stranded 3′ DNA can be formed as a result of incomplete replication of the lagging strand or through the action of a nuclease. Over the past three decades since the RDR model was proposed, all of the enzymes and proteins that are required to carry out RDR in T4 have been isolated and extensively characterized biochemically, with the notable exception of the nuclease complex thought to be responsible for the creation of the 3′ ssDNA overhangs (Rad50 (gp46) and Mre11 (gp47)). Here we have described for the first time the expression, purification, and biochemical characterization of the Rad50 and Mre11 proteins from bacteriophage T4.On a qualitative level it appears that the various activities of the MR complex are well conserved between all three kingdoms of life. The T4 MR complex is an ATPase, an ssDNA endonuclease, and a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease. ATP hydrolysis is positively cooperative and is activated by the presence of Mre11 and DNA. We have found that during repetitive dsDNA exonuclease activity, ∼4 nucleotides are removed for every ATP that is hydrolyzed, and the maximum exonuclease rate is 7.7 nucleotides/s. ATP hydrolysis increases the rate of multiple nucleotide excisions but does not alter the rate of the first nucleotide excision. Interestingly, we have found that two T4 phage proteins that are necessary for the subsequent steps of RDR/DSB repair activate the Mg2+-dependent nuclease reaction, which produces an altered product profile as compared with the Mn2+-dependent exonuclease reaction.To our knowledge, this is the first instance that the steady-state ATP hydrolysis rate constants have been reported for a Rad50 homolog in the presence and absence of Mre11 and a DNA substrate. We found that by itself, Rad50 is a relatively inefficient ATPase, with a kcat of 0.15 s−1. The reaction is mildly positively cooperative with a Hill coefficient of 1.4, indicating Rad50 is a least a dimer, consistent with the structural analysis of Pfu Rad50 and other ABC proteins (31Hopfner K.P. Karcher A. Shin D.S. Craig L. Arthur L.M. Carney J.P. Tainer J.A. Cell. 2000; 101: 789-800Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (803) Google Scholar, 32Hopfner K.P. Tainer J.A. Curr. Opin. Struct. Biol. 2003; 13: 249-255Crossref PubMed Scopus (170) Google Scholar). Separately, the addition of DNA or Mre11 to Rad50 resulted in very minor perturbations in the kinetic parameters of Rad50. In contrast, the addition of both Mre11 and DNA resulted in a 20-fold increase in kcat and an increase in the Hill coefficient to 2.4. These reactions are performed with Mg2+ as the only divalent cation so that there is essentially no nuclease activity under these conditions. This indicates that ATP hydrolysis can be uncoupled from nuclease activity and suggests that Mre11 and dsDNA act as allosteric activators of Rad50. The increase in the Hill coefficient from 1.4 to 2.4 suggests that in the presence of Mre11 and dsDNA, there are more than two ATP sites in communication with each other. It is not clear how this might occur, but it is tempting to speculate that binding of dsDNA promotes hetero-octamer (Mre112/Rad502)2 formation through zinc-hook-mediated tethering of the Rad50 coiled-coil domains (15Connelly J.C. Leach D.R.F. Trends Biochem. Sci. 2002; 27: 410-418Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (107) Google Scholar). Hetero-octamers of the Pfu MR complex have been previously observed in electron microscopy (33Hopfner K. Craig L. Moncalian G. Zinkel R.A. Usui T. Owen B.A.L. Karcher A. Henderson B. Bodmer J. McMurray C.T. Carney J.P. Petrini J.H.J. Tainer J.A. Nature. 2002; 418: 562-566Crossref PubMed Scopus (411) Google Scholar), and atomic force microscopy experiments (55Moreno-Herrero F. de Jager M. Dekker N.H. Kanaar R. Wyman C. Dekker C. Nature. 2005; 437: 440-443Crossref PubMed Scopus (209) Google Scholar) have revealed that DNA binding results in a straightening of Rad50 coiled-coils, which prevents an intracomplex tether (hetero-tetramer) and promotes an intercomplex tether (hetero-octamer).The exact function of Rad50 ATP hydrolysis activity has been unclear (56Kinoshita E. van der Linden E. Sanchez H. Wyman C. Chromosome Res. 2009; 17: 277-288Crossref PubMed Scopus (47) Google Scholar). Based on structural changes between the ATP-free and bound forms of Pfu Rad50, it has been proposed that ATP hydrolysis induces a conformational change that may promote product release (dNMP) or drive MR complex translocation (31Hopfner K.P. Karcher A. Shin D.S. Craig L. Arthur L.M. Carney J.P. Tainer J.A. Cell. 2000; 101: 789-800Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (803) Google Scholar). Our data are inconsistent with the product release model, as the rate of excision of the first nucleotide at the 3′ end of the DNA is not affected by ATP. Additionally, the stoichiometry of ATP hydrolysis is one ATP per four nucleotides removed. If ATP hydrolysis was directly linked to product release, then a 1:1 correspondence between ATP hydrolysis and nucleotide removal would be expected. The data are more consistent with ATP being involved in the translocation of the MR complex after nucleotide excision and release. Because ATP and AMP-PNP do not affect the rate of the first nucleotide excision for either the wild-type or K42M-Rad50 MR complexes, it is unlikely that the MR complex must unwind or open the DNA duplex before nucleotide excision. In contrast, ATP hydrolysis increased the exonuclease rate when the probe is moved 17 bases away from the 3′ end, indicating that ATP hydrolysis is necessary for multiple, processive nucleotide excisions. This suggests that the energy of ATP hydrolysis likely drives translocation of the MR complex. Consistent with this, when the probe is in the 17 position, AMP-PNP potently inhibits the exonuclease activity of the wild-type enzyme, and both ATP and AMP-PNP inhibit the K42M-Rad50 MR complex. The observed inhibition is likely due to the stalling of the MR complex after nucleotide excision and product release (i.e. the MR complex is unable to translocate or dissociate from the DNA in the ATP-bound form). In the absence of ATP, the MR complex likely dissociates from the DNA substrate and rebinds at the new ss/dsDNA junction (non-processively). If this interpretation is correct, then the steady-state exonuclease rate constant in the presence of AMP-PNP is equal to the rate of dissociation of the MR complex from DNA. The 1:4 ATP/base stoichiometry suggests that the Mre11 is able to remove four nucleotides before it is required to translocate to the new ss/dsDNA junction. This would require "scrunching" of the DNA, similar to that which has been proposed for the NS3 helicase (57Myong S. Bruno M.M. Pyle A.M. Ha T. Science. 2007; 317: 513-516Crossref PubMed Scopus (236) Google Scholar).The data shown in Fig. 2 are consistent with a 3′ to 5′ dsDNA exonuclease. This activity is at odds with the proposed physiological function of the MR complex, a paradox that has been long recognized (15Connelly J.C. Leach D.R.F. Trends Biochem. Sci. 2002; 27: 410-418Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (107) Google Scholar, 58Assenmacher N. Hopfner K.P. Chromosoma. 2004; 113: 157-166Crossref PubMed Scopus (110) Google Scholar, 59Hopkins B.B. Paull T.T. Cell. 2008; 135: 250-260Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (130) Google Scholar). It is conceivable that the observed 3′ to 5′ exonuclease activity is the relevant physiological activity and the MR complex does not directly participate in the production of a 3′ ssDNA overhangs. However, this possibility seems unlikely for the following reasons; 1) it is well established that in eukaryotes the nuclease activity of the MR complex is required for the removal of Spo11/Rec12, which is covalently linked to the 5′ end of the DSB during meiosis (60Borde V. Chromosome Res. 2007; 15: 551-563Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar), 2) the nuclease activity of Mre11 is required for the removal of topoisomerase-5′ DNA covalent adducts that are stabilized by anti-cancer etoposide derivatives (10Povirk L.F. DNA Repair. 2006; 5: 1199-1212Crossref PubMed Scopus (98) Google Scholar), 3) the nuclease activity of Mre11 is required for repair of ionizing radiation-induced DSBs (38Buis J. Wu Y. Deng Y. Leddon J. Westfield G. Eckersdorff M. Sekiguchi J.M. Chang S. Ferguson D.O. Cell. 2008; 135: 85-96Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (242) Google Scholar), and 4) in T4 phage, Mre11 and Rad50 are necessary for the initiation of recombination-dependent replication and recombination-dependent DSB repair, which begins with the 5′ to 3′ resection of a DNA end (7George J.W. Kreuzer K.N. Genetics. 1996; 143: 1507-1520Crossref PubMed Google Scholar, 61Stohr B.A. Kreuzer K.N. Genetics. 2002; 162: 1019-1030Crossref PubMed Google Scholar). Even with the above data, the precise role of the MR complex in DSB repair is still an open question, and the polarity paradox remains. Therefore, we tested several T4 recombination proteins for a possible change in the nuclease mechanism of the T4 MR complex. In the presence of MnCl2, we did not observe any significant differences in the rate or product profile of MR nuclease assays in the presence of UvsX, gp32, and UvsY either alone or in combination. However, UvsY and gp32 were found to enhance the ability of the T4 MR complex to utilize MgCl2 as a cofactor for the nuclease activity. We examined the product profile of the MgCl2-dependent reaction in the presence of UvsY and gp32, and in addition to the dGMP that is produced by 3′ to 5′ exonuclease activity, we also observed a distribution of products in the size range of 15–25 bases. These products could be the result of a 5′ to 3′ exonuclease or an endonuclease activity. We favor an endonuclease mechanism due to the absence of products between 50 and 25 bases, which would be produced if 5′ to 3′ exonuclease activity had occurred. Experiments are currently under way to determine the exact nature of the alteration in nuclease mechanism. A metal-dependent change nuclease mechanism has also been observed in the MR complex from the thermophilic organism P. furiosus when assayed at elevated (physiologically relevant) temperatures (59Hopkins B.B. Paull T.T. Cell. 2008; 135: 250-260Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (130) Google Scholar). In the case of the Pfu MR complex, the MgCl2-dependent reaction produces a 3′ ssDNA overhang through endonucleolytic cleavage of sites close to the 5′ end of the dsDNA, similar to what we are proposing here for the T4 MR complex.The mechanism behind the increased ability to use Mg2+ as a cofactor is not clear but likely involves physical interaction(s) between the MR complex and UvsY/gp32. Based on our observation that 5 mm MgCl2 does not inhibit the nuclease activity of the complex even when the concentration of MnCl2 is 50-fold lower (0.1 mm), it appears that the affinity of Mg2+ for the Mre11 active site is low compared with Mn2+. This is consistent with the fact that Mre11 crystals grown in the presence of MgCl2 only have one
0
Citation53
0
Save
0

Inhibition of Fructose-1,6-bisphosphatase by a New Class of Allosteric Effectors

Jun-Young Choe et al.Dec 1, 2003
A highly constrained pseudo-tetrapeptide (OC252-324) further defines a new allosteric binding site located near the center of fructose-1,6-bisphosphatase. In a crystal structure, pairs of inhibitory molecules bind to opposite faces of the enzyme tetramer. Each ligand molecule is in contact with three of four subunits of the tetramer, hydrogen bonding with the side chain of Asp187 and the backbone carbonyl of residue 71, and electrostatically interacting with the backbone carbonyl of residue 51. The ligated complex adopts a quaternary structure between the canonical R- and T-states of fructose-1,6-bisphosphatase, and yet a dynamic loop essential for catalysis (residues 52-72) is in a conformation identical to that of the T-state enzyme. Inhibition by the pseudo-tetrapeptide is cooperative (Hill coefficient of 2), synergistic with both AMP and fructose 2,6-bisphosphate, noncompetitive with respect to Mg2+, and uncompetitive with respect to fructose 1,6-bisphosphate. The ligand dramatically lowers the concentration at which substrate inhibition dominates the kinetics of fructose-1,6-bisphosphatase. Elevated substrate concentrations employed in kinetic screens may have facilitated the discovery of this uncompetitive inhibitor. Moreover, the inhibitor could mimic an unknown natural effector of fructose-1,6-bisphosphatase, as it interacts strongly with a conserved residue of undetermined functional significance. A highly constrained pseudo-tetrapeptide (OC252-324) further defines a new allosteric binding site located near the center of fructose-1,6-bisphosphatase. In a crystal structure, pairs of inhibitory molecules bind to opposite faces of the enzyme tetramer. Each ligand molecule is in contact with three of four subunits of the tetramer, hydrogen bonding with the side chain of Asp187 and the backbone carbonyl of residue 71, and electrostatically interacting with the backbone carbonyl of residue 51. The ligated complex adopts a quaternary structure between the canonical R- and T-states of fructose-1,6-bisphosphatase, and yet a dynamic loop essential for catalysis (residues 52-72) is in a conformation identical to that of the T-state enzyme. Inhibition by the pseudo-tetrapeptide is cooperative (Hill coefficient of 2), synergistic with both AMP and fructose 2,6-bisphosphate, noncompetitive with respect to Mg2+, and uncompetitive with respect to fructose 1,6-bisphosphate. The ligand dramatically lowers the concentration at which substrate inhibition dominates the kinetics of fructose-1,6-bisphosphatase. Elevated substrate concentrations employed in kinetic screens may have facilitated the discovery of this uncompetitive inhibitor. Moreover, the inhibitor could mimic an unknown natural effector of fructose-1,6-bisphosphatase, as it interacts strongly with a conserved residue of undetermined functional significance. Fructose-1,6-bisphosphatase (d-fructose-1,6-bisphosphate 1-phosphohydrolase, EC 3.1.3.11; FBPase) 1The abbreviations used are: FBPasefructose-1,6-bisphosphataseF16P2fructose 1,6-bisphosphateF6Pfructose 6-phosphateF26P2fructose 2,6-bisphosphate.1The abbreviations used are: FBPasefructose-1,6-bisphosphataseF16P2fructose 1,6-bisphosphateF6Pfructose 6-phosphateF26P2fructose 2,6-bisphosphate. catalyzes a tightly regulated step of gluconeogenesis, the hydrolysis of fructose 1,6-bisphosphate (F16P2) to fructose 6-phosphate (F6P) and Pi (1Benkovic S.T. de Maine M.M. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1982; 53: 45-82PubMed Google Scholar, 2Tejwani G.A. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1983; 54: 121-194PubMed Google Scholar). AMP and F26P2 (binding to allosteric and active sites, respectively) inhibit FBPase, while simultaneously activating its counterpart in glycolysis, fructose-6-phosphate 1-kinase (3Van Schaftingen E. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1987; 59: 45-82Google Scholar, 4Pilkis S.J. El-Maghrabi M.R. Claus T.H. Annu. Rev. Biochem. 1988; 57: 755-783Crossref PubMed Scopus (317) Google Scholar). Biosynthesis and degradation of F26P2 is subject to hormonal control principally by glucagon and insulin (4Pilkis S.J. El-Maghrabi M.R. Claus T.H. Annu. Rev. Biochem. 1988; 57: 755-783Crossref PubMed Scopus (317) Google Scholar, 5Okar D.A. Lange A.J. Biofactors. 1999; 10: 1-14Crossref PubMed Scopus (119) Google Scholar). F26P2 enhances the binding of AMP to FBPase by up to an order of magnitude (6Pilkis S.J. El-Maghrabi R.M. McGrane M.M. Pilkis J. Claus T.H. J. Biol. Chem. 1981; 256: 3619-3622Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Hence, although intracellular concentrations of AMP remain relatively constant, AMP becomes a more potent inhibitor of FBPase as concentrations of F26P2 increase. AMP binds 28 Å away from the nearest active site and perhaps not surprisingly inhibits catalysis noncompetitively with respect to F16P2. Yet AMP is a competitive inhibitor of catalysis with respect to essential divalent cations (Mg2+, Mn2+, or Zn2+), all of which are in proximity to (and probably coordinate with) the 1-phosphoryl group of F16P2 (7Nimmo H.G. Tipton K.F. Eur. J. Biochem. 1975; 58: 567-574Crossref PubMed Scopus (50) Google Scholar, 8Liu F. Fromm H.J. J. Biol. Chem. 1988; 263: 9122-9128Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 9Scheffler J.E. Fromm H.J. Biochemistry. 1986; 25: 6659-6665Crossref PubMed Scopus (32) Google Scholar, 10Choe J.-Y. Poland B.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 1998; 33: 11441-11450Crossref Scopus (59) Google Scholar). fructose-1,6-bisphosphatase fructose 1,6-bisphosphate fructose 6-phosphate fructose 2,6-bisphosphate. fructose-1,6-bisphosphatase fructose 1,6-bisphosphate fructose 6-phosphate fructose 2,6-bisphosphate. FBPase is a homotetramer (subunit Mr of 37,000 (11Stone S.R. Fromm H.J. Biochemistry. 1980; 19: 620-625Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar)) and exists in at least two distinct quaternary conformations called R and T (12Ke H. Zhang Y. Liang J.-Y. Lipscomb W.N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1991; 88: 2989-2993Crossref PubMed Scopus (56) Google Scholar, 13Liu F. Fromm H.J. J. Biol. Chem. 1988; 19: 9122-9128Abstract Full Text PDF Google Scholar, 14Zhang Y. Liang J.-Y. Huang S. Lipscomb W.M. J. Mol. Biol. 1994; 244: 609-624Crossref PubMed Scopus (93) Google Scholar). AMP induces the transition from the active R-state to the inactive (or less active) T-state. Substrates or products in combination with metal cations stabilize the R- state conformation. A proposed mechanism for allosteric regulation of catalysis involves three conformational states of loop 52-72 called engaged, disengaged, and disordered (15Nelson S.W. Kurbanov F. Honzatko R.B. Fromm H.J. J. Biol. Chem. 2001; 276: 6119-6124Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (17) Google Scholar). AMP alone or with F26P2 stabilizes a disengaged loop (16Xue Y. Huang S. Liang J.-Y. Zhang Y. Lipscomb W.N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1994; 91: 12482-12486Crossref PubMed Scopus (73) Google Scholar, 17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar), whereas metals with products stabilize an engaged loop (10Choe J.-Y. Poland B.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 1998; 33: 11441-11450Crossref Scopus (59) Google Scholar, 17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar, 18Choe J.-Y. Nelson S.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. J. Biol. Chem. 2003; 278: 16008-16014Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (10) Google Scholar, 19Choe J.-Y. Iancu C.V. Fromm H.J. Honzatko R.B. J. Biol. Chem. 2003; 278: 16015-16020Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (33) Google Scholar). In active forms of the enzyme, loop 52-72 probably cycles between its engaged and disordered conformations (15Nelson S.W. Kurbanov F. Honzatko R.B. Fromm H.J. J. Biol. Chem. 2001; 276: 6119-6124Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (17) Google Scholar, 18Choe J.-Y. Nelson S.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. J. Biol. Chem. 2003; 278: 16008-16014Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (10) Google Scholar). Fluorescence from a tryptophan reporter group at position 57 is consistent with the conformational states for loop 52-72, observed in crystal structures (20Nelson S.W. Choe J.-Y. Iancu C.V. Honzatko R.B. Fromm H.J. Biochemistry. 2000; 39: 11100-11106Crossref PubMed Scopus (26) Google Scholar, 21Wen J. Nelson S.W. Honzatko R.B. Fromm H.J. Petrich J.W. Photochem. Photobiol. 2001; 74: 679-685Crossref PubMed Scopus (5) Google Scholar). Presumably, the engaged, disengaged, and disordered conformations of loop 52-72 are possible in both the R- and T-states of FBPase, but only the engaged and disordered conformers of the R-state, and the disengaged conformer of the T-state, have been reported in crystalline complexes (17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar, 18Choe J.-Y. Nelson S.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. J. Biol. Chem. 2003; 278: 16008-16014Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (10) Google Scholar, 22Ke H.M. Thorpe C.M. Seaton B. Lipscomb W.N. Marcus F. J. Mol. Biol. 1990; 212: 513-539Crossref PubMed Scopus (64) Google Scholar, 23Lu G. Stec B. Giroux E.L. Kantrowitz E.R. Protein Sci. 1996; 5: 2333-2342Crossref PubMed Scopus (23) Google Scholar). A recent report (24Wright S.W. Carlo A.A. Carty M.D. Danley D.E. Hageman D.L. Karam G.A. Levy C.B. Mansour M.N. Mathiowetz A.M. McClure L.D. Nestor N.B. McPherson R.K. Pandit J. Pustilnik L.R. Schulte G.K. Soeller W.C. Treadway J.L. Wang I.-K. Bauer P.H. J. Med. Chem. 2002; 45: 3865-3877Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar) in the literature identifies a new inhibitor site on FBPase, distinct from the active and the AMP-binding sites. The new family of anilinoquinazoline inhibitors was discovered by a search for potential drugs in the treatment of non-insulin-dependent diabetes. Although the site of binding on FBPase is clear, the kinetic mechanism of inhibition for this new class of inhibitor was not reported. Independent of the efforts above, a screen for new inhibitors of FBPase resulted in the discovery of a chemically distinct molecule (OC252-324, hereafter OC252, Fig. 1) that targets the same binding site on FBPase. Inhibition of FBPase by OC252 is cooperative (Hill coefficient of 2), synergistic with AMP and F26P2, noncompetitive with respect to Mg2+, but uncompetitive with respect to F16P2. OC252 greatly decreases the concentration at which substrate inhibition dominates the kinetics of FBPase. The crystal structure reveals a pair of OC252 molecules bound to each face of an FBPase tetramer. The quaternary conformation of the tetramer differs from the canonical R- and T-states, observed in the absence and presence of AMP, respectively, yet the loop (residues 52-72) is in its disengaged conformation. A strong hydrogen bond between OC252 and the side chain of a conserved aspartate residue of undetermined functional significance suggests the possibility of a binding site recognized by an unknown natural effector. Materials—F16P2, F26P2, NADP+, and AMP were purchased from Sigma. Glucose-6-phosphate dehydrogenase and phosphoglucose isomerase came from Roche Applied Science. Other chemicals were of reagent grade or the equivalent. QSW-HR high pressure liquid chromatography resin came from Toso-Hass Bioseparations. FBPase-deficient Escherichia coli strain DF 657 came from the Genetic Stock Center at Yale University. Plasmids used in the expression of wild-type FBPase came from a previous investigation (20Nelson S.W. Choe J.-Y. Iancu C.V. Honzatko R.B. Fromm H.J. Biochemistry. 2000; 39: 11100-11106Crossref PubMed Scopus (26) Google Scholar). The inhibitor OC252 was provided by Ontogen Corp. (Carlsbad, CA). Expression and Purification of Wild-type FBPase—Separate preparations of enzyme were used for the structural and kinetics investigations. Recombinant FBPase was expressed in a strain of E. coli deficient in endogenous FBPase and then purified to homogeneity. Cell-free extracts of the wild-type FBPases were subjected to heat treatment (65 °C for 5 min), followed by centrifugation. For enzyme used in kinetics investigations, the supernatant solution was loaded onto a Cibacron Blue-Sepharose column, previously equilibrated with 20 mm Tris-HCl, pH 7.5. FBPases were eluted from that column with 1 mm AMP and 20 mm Tris-HCl, pH 7.5. The eluent from the first column was loaded directly onto a DEAE-Sepharose column and then eluted with a NaCl gradient (0-0.3 m). The purified enzyme was dialyzed extensively against 20 mm Tris-HCl, pH 7.5. For crystallization experiments, after volume reduction by pressure concentration through an Amicon PM-30 membrane, the supernatant solution from centrifugation was passed through a CM-Sepharose column using a NaCl gradient (20-400 mm) in 10 mm Tris malonate, pH 6.0, and then dialyzed against KPi (20 mm, pH 7.0). Purity and protein concentrations of FBPase preparations were confirmed by SDS-PAGE (25Laemmli U.K. Nature. 1970; 227: 680-685Crossref PubMed Scopus (206631) Google Scholar) and the Bradford assay (26Bradford M.M. Anal. Biochem. 1976; 72: 248-252Crossref PubMed Scopus (214455) Google Scholar), respectively. Kinetic Experiments—Assays for the determination of specific activity, kcat, and activity ratios at pH 7.5 and 9.5 employed the coupling enzymes, phosphoglucose isomerase and glucose-6-phosphate dehydrogenase (1Benkovic S.T. de Maine M.M. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1982; 53: 45-82PubMed Google Scholar). The reduction of NADP+ to NADPH was monitored by absorbance spectroscopy at 340 nm. All other assays used the same coupling enzymes, but monitored NADPH production by its fluorescence emission at 470 nm, using an excitation wavelength of 340 nm. Kinetic assays were performed at room temperature (22 °C). Data fitting and analysis used the program DYNAFIT (27Kuzmic P. Anal. Biochem. 1996; 237: 260-273Crossref PubMed Scopus (1349) Google Scholar). Crystallization of the Product Complex—Crystals of FBPase grew by the method of hanging drops. Equal parts of a protein solution (FBPase (10 mg/ml), KPi, pH 7.4 (10 mm), MgCl2 (5 mm), F6P (5 mm), and OC252 (2 mm)) and a precipitant solution (Tris malonate, pH 7.4 (2.5 mm), polyethylene glycol 3350 (6% w/v)) were combined in a droplet of 4 μl total volume. Wells contained 500 μl of the precipitant solution. Crystals of dimensions 0.4 × 0.4 × 0.3 mm grew in approximately 3 days at 20 °C. OC252 is relatively insoluble in aqueous solutions. Approximately 10 mg of pure inhibitor was dissolved initially in acetone, and appropriately measured aliquots were distributed to empty vials. The acetone was removed by evaporation, and the protein solution above was added. The inhibitor dissolved after a brief time interval to provide the clear protein solution used in the crystallization experiments. Data Collection—Data were collected at Iowa State University on a rotating anode/Siemens area detector at 120 K, using CuKα radiation passed through a graphite monochromator. Data were reduced by XENGEN (28Howard A.J. Nielsen C. Xuong N.H. Methods Enzymol. 1985; 114: 452-472Crossref PubMed Scopus (280) Google Scholar). Structure Determination, Model Building, and Refinement—Crystals grown for the present study are isomorphous to the AMP-Zn2+-product complex (17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar). Phase angles, used in the generation of initial electron density maps, were based on model 1EYJ of the Protein Data Bank, from which water molecules, metal cations, small molecule ligands, and residues 52-72 had been omitted. Residues 52-72 were built into the electron density of omit maps, with reference to the Cα coordinates of loop 52-72 from the AMP complex (17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar), using the program XTALVIEW (29McRee D.E. J. Mol. Graphics. 1992; 10: 44-46Crossref Google Scholar) and a Silicon Graphics work station. A molecule of Pi and of F6P and two magnesium cations were added to omit electron density of the active site. Strong electron density remained, however, near the center of the tetramer, which easily accommodated a molecule of OC252. The resulting model underwent refinement, using CNS (30Brünger A.T. Adams P.D. Clore G.M. DeLano W.L. Gros P. Grosse-Kunstleve R.W. Jiang J.-S. Kuszewski J. Nilges M. Pannu M.S. Read R.J. Rice L.M. Simonson T. Warren G.L. Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr. 1998; 54: 905-921Crossref PubMed Scopus (16948) Google Scholar) with force constants and parameters of stereochemistry from Engh and Huber (31Engh R.A. Huber R. Acta Crystallogr. Sect. A. 1991; 47: 392-400Crossref Scopus (2539) Google Scholar). A cycle of refinement consisted of slow cooling from 2500 to 300 K in steps of 25 K, followed by 120 cycles of conjugate gradient minimization, and concluded by the refinement of individual thermal parameters. Thermal parameter refinement employed restraints of 1.5 Å2 on nearest neighbor and next-to-nearest neighbor main chain atoms, 2.0 Å2 on nearest neighbor side chain atoms, and 2.5 Å2 on next-to-nearest neighbor side chain atoms. In subsequent cycles of refinement, water molecules were fit to difference electron density of 2.5σ or better and were added until no significant decrease was evident in the Rfree value. Included in the final model were water molecules that make suitable donor-acceptor distances to each other and the protein and have thermal parameters under 60 Å2. Expression and Purification of Wild-type FBPase—Expression and isolation procedures described above provide FBPase in at least 95% purity, as judged by SDS-PAGE (data not shown). The kcat value (22 ± 1 s-1) and the ratio of specific activities at pH 7.5 to 9.5 (3.3) indicate high purity and little or no proteolysis of the purified enzyme, consistent with the results from electrophoresis. Kinetics Experiments—By using fixed concentrations of MgCl2 (0.5 mm, approximately the Ka for Mg2+) and F16P2 (20 μm, saturating), initial velocities vary as the inverse square of OC252 concentration (Hill coefficient of 1.97 ± 0.1) with an I0.5 (concentration of OC252 that causes 50% inhibition) of 1.87 ± 0.07 μm (Fig. 2). F26P2, AMP, and OC252 inhibit FBPase synergistically; I0.5 values for OC252 are 0.63 ± 0.04 μm (Hill coefficient, 1.6 ± 0.1) in the presence of 1.5 μm AMP and 0.48 ± 0.01 μm (Hill coefficient, 1.7 ± 0.1) in the presence of 0.45 μm F26P2. The numerical values above result from a fit of data to Equation 1,Vo/Vm=I0.5/(I0.5-In)(Eq. 1) where n is the Hill coefficient, Vm the initial velocity in the absence of inhibitor, Vo the initial velocity at a specific inhibitor concentration, I the concentration of OC252, and I0.5 the concentration of OC252 that causes 50% inhibition. Kinetics data were taken over broad concentration ranges of Mg2+ (0.2-5 mm), F16P2 (1-20 μm), and OC252 (0-20 μm) in order to determine the kinetic mechanism of inhibition. Plots of reciprocal velocity against 1/[Mg2+]2 (F16P2 saturating, but below concentrations that cause significant substrate inhibition) and 1/[F16P2] (Mg2+ saturating) indicate noncompetitive inhibition with respect to Mg2+ and uncompetitive inhibition with respect to F16P2 (Fig. 3). As is evident from Fig. 3A, substrate inhibition increases significantly with rising inhibitor concentration. Data from Fig. 3A were fit to nine different kinetic models using the program DYNAFIT (27Kuzmic P. Anal. Biochem. 1996; 237: 260-273Crossref PubMed Scopus (1349) Google Scholar), combining mechanisms of competitive, noncompetitive, and uncompetitive inhibition by OC252, with and without pathways for inhibitor-induced substrate inhibition or partial inhibitor-induced substrate inhibition (Table I). (Inhibitor-induced substrate inhibition requires the binding of OC252 prior to the binding of the inhibitory F16P2 molecule. Inhibitor-induced partial substrate inhibition allows turnover of the substrate-inhibited enzyme at a reduced maximal velocity.) All successful kinetic models include the association of two molecules of OC252 with an E·(Mg2+)2·F16P2 complex to form an E·(Mg2+)2·F16P2·(OC252)2 complex (uncompetitive inhibition with respect to F16P2). The latter complex induces the formation of E·(Mg2+)2·(F16P2)2·(OC252)2 (inhibitor-induced substrate inhibition). Parameters representing the formation of an E·(Mg2+)2·(OC252)2 complex (which would result in competitive, noncompetitive, or mixed inhibition with respect to F16P2 and/or the turnover of the E·(Mg2+)2·(F16P2)2·(OC252)2 complex (inhibitor-induced partial substrate inhibition) are not justified on the basis of F tests. Hence, model H of Table I represents the data at saturating Mg2+ with the fewest parameters. Scheme I then represents the kinetic mechanism of inhibition at all concentrations of the relevant ligands.Table IHypothetical models of inhibition of FBPase by OC252 Open table in a new tab Scheme IView Large Image Figure ViewerDownload Hi-res image Download (PPT) From Scheme I we derived the following relationship (Equation 2) assuming rapid-equilibrium kinetics under initial velocity conditions,1/V=(1/Vm)(1+Ka/A2+Kb/B+(KiaKb)/(A2B)+(KaI2)/(KiA2)+(I2/Kii)(1+B/Kiis))(Eq. 2) where A, B, and I are concentrations of free Mg2+, F16P2, and OC252, respectively; Vm is the maximal velocity, and Kia, Ka, Kb, Ki, Kii, and Kiis are dissociations constants for two Mg2+ atoms from the E·(Mg2+)2 complex, for two Mg2+ atoms from the E·(Mg2+)2·F16P2 complex, for F16P2 from the E·(Mg2+)2·F16P2 complex, for two OC252 molecules from the E·F16P2·(OC252)2 complex, for two molecules of OC252 from the E·(Mg2+)2·F16P2·(OC252)2 complex, and for the second (inhibitory) molecule of F16P2 from the E·(Mg2+)2·(F16P2)2·(OC252)2 complex, respectively. Equation 2 simplifies under conditions of saturating Mg2+ to Equation 3,1/V=(1/Vm)(1+Kb/B+(I2/Kii)(1+B/Kiis))(Eq. 3) which is used in the determination of Vm, Kb, Kii, and Kiis from data in Fig. 3A. Under these conditions, [F16P2]≫Kb, Equation 2 simplifies to Equation 4,1/V=(1/Vm)(1+Ka/A2+(KaI2)/(KiA2)+(I2/Kii)(1+B/Kiis))(Eq. 4) which is used in the determination of Vm, Ka, and Ki from data in Fig. 3B using numerical values for Kii and Kiis from Equation 3. Values for kinetic parameters are in Table II.Table IIKinetic parameters determined by fits of Equations 3 and 4 to the data ofFig. 3. Maximum velocity is expressed in terms of the change in fluorescence (units not defined) with timeParameterNumerical valueEquation 3Vm18.4 ± 0.3 ΔF/sKb2.16 ± 0.08 μmKii25 ± 2 μm2Kiis7.6 ± 1 μmEquation 4Vm17.1 ± 0.8 ΔF/sKa0.38 ± 0.02 mm2Ki3.65 ± 0.6 μm2 Open table in a new tab OC252 Complex of FBPase (Protein Data Bank Code 1Q9D)—Crystals grown in the presence of OC252 belong to the space group P21212 (a = 58.86, b = 166.25, c = 80.27), and are isomorphous to those of AMP complexes of FBPase (17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar). Two subunits of FBPase are in the asymmetric unit of this crystal form. Cα coordinates of the independent subunits superimposed with a root mean square deviation of 0.38 Å, using a subset of residues (33-49, 75-265, and 272-330), which do not exhibit significant tertiary conformational differences between the T- and R-state subunits of FBPase (10Choe J.-Y. Poland B.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 1998; 33: 11441-11450Crossref Scopus (59) Google Scholar). Regions of weak or absent electron density include residues 1-8 and 63-70. The model begins at residue 9 and continues to the last residue of the sequence, but segment 63-70 is unreliable, as evidenced by high thermal parameters. Thermal parameters vary from 5 to 57 Å2. As determined by PROCHECK (32Laskowski R.A. Mac Arthur M.W. Moss D.S. Thornton J.M. J. Appl. Crystallogr. 1993; 26: 283-291Crossref Google Scholar), the model has stereochemistry generally comparable with that of structures derived from data of nominal resolution 2.0 Å. Statistics for data collection and refinement are in Table III, and an overview of the complex appears in Fig. 4.Table IIIStatistics of data collection and refinement for the OC252-FBPase complexResolution (Å)2.35No. measurements94,949No. unique reflections28,849Completeness of dataOverall87.5Last shell (2.44-2.35 Å)65.5RsymaRsym=ΣjΣi|Iij-〈Ij〉|/ΣiΣjIij, where i runs over multiple observations of the same intensity and j runs over crystallographic unique intensities.5.9No. reflections in refinementbAll data are in the resolution range of 50-2.35 Å.27,163No. atoms5434No. solvent sites290R-factorcR-factor=Σ||Fobs|-|Fcalc||/Σ|Fobs|, where|Fobs| > 0.0.191RfreedR-factor based upon 10% of the data randomly culled and not used in the refinement.0.246Mean thermal parameters(Å2)Protein21.1Mg2+22.1F6P24.5Pi50.1OC25213.6Root mean square deviationsBond lengths (Å)0.012Bond angles (degree)1.7Dihedral angles (degree)24.1Improper angles (degree)5.74a Rsym=ΣjΣi|Iij-〈Ij〉|/ΣiΣjIij, where i runs over multiple observations of the same intensity and j runs over crystallographic unique intensities.b All data are in the resolution range of 50-2.35 Å.c R-factor=Σ||Fobs|-|Fcalc||/Σ|Fobs|, where|Fobs| > 0.d R-factor based upon 10% of the data randomly culled and not used in the refinement. Open table in a new tab Although the two subunits of the OC252 complex are similar, the ligation of each active site by metals differs. In the subunit labeled chain B, strong electron density is at metal site 1. The thermal parameter of Mg2+ at full occupancy here refines to a value of 10 Å2, which is significantly less than the average value (20 Å2) for atoms of the protein ligated to that metal. Hence Mg2+ and a heavier metal (Zn2+, on the basis of prior experience (19Choe J.-Y. Iancu C.V. Fromm H.J. Honzatko R.B. J. Biol. Chem. 2003; 278: 16015-16020Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (33) Google Scholar)) probably co-occupy site 1 in chain B. Site 2 of chain B has diffuse electron density that may represent disordered water molecules or the combination of water molecules and Mg2+ at low occupancy; Mg2+ at full occupancy refined at metal site 2 with a thermal parameter of 32 Å2. In the subunit labeled chain A, Mg2+ refines with thermal parameters of 18 and 29 Å2 at sites 1 and 2, respectively. Metal site 2 in chain A may be occupied partially by Mg2+. The conformations of side chains near metal site 2 also differ in each of the symmetry unique subunits of the crystal. In addition, molecules of Pi are at partial occupancy at each active site, but molecules of F6P are at full occupancy. OC252 is arguably a highly constrained pseudo-tetrapeptide (Fig. 1); the first and fourth “residues” have tyrosyl side chains, a methylene group in residue 2 covalently bridges the phenylalanyl side chain to its amide nitrogen, and an n-propyl group is the side chain of residue 3. The N-2 atom of OC252 corresponds to the backbone nitrogen atom of the first and third residues, and the terminal carboxyl group is absent. Atoms C-8, C-10, and C-12 have the l-configuration of a common amino acid. In their FBPase complex, two molecules of OC252 are in mutual contact, related to each other by the molecular 2-fold axis that projects through the face of the FBPase tetramer. Most of the contacts between inhibitor and protein are apolar; however, the phenol oxygen atoms of residues 1 and 4 of OC252 hydrogen-bond with backbone carbonyl 71 and the side chain of Asp187, respectively. Furthermore, the C—O bond axis of backbone carbonyl 51 is normal to the plane defined by atoms C-8, N-2, C-11, and C-12 of OC252, with its oxygen atom 3.2 Å from atom N-2. The latter suggests an electronic resonance state of the bound OC252 molecule that stabilizes this close contact (Fig. 1). Although the OC252 and AMP crystalline complexes are isomorphous, the two FBPase tetramers adopt different quaternary conformations. Superpositions of C1-C2 subunit pairs from the OC252, T-state, and R-state complexes give comparable root mean squared deviations (Table IV). (See Fig. 4 for the convention adopted in the labeling of subunits.) On the other hand, superpositions of tetramers give significantly larger deviations, suggesting different quaternary structures. Indeed, the C3-C4 subunit pair in the OC252 complex rotates ∼14° relative to the C1-C2 subunit pair, falling some 3° short of the canonical T-state (Fig. 5). Hereafter, we refer to the quaternary state of FBPase induced by OC252 as the I-state.Table IVRoot mean squared deviations (in Å) in superpositions of C1-C2 subunits and tetramers (boldface) of FBPaseT-stateOC252 complexR-state2.71/0.5782.16/0.481T-state0.703/0.332 Open table in a new tab The I-state must be due to the specific effects of the OC252 inhibitor. First, the conditions of crystallization for the T-, R-, and I-states of FBPase differ only by the presence or absence of allosteric effectors. The T-state crystallizes in the presence of AMP (17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar), the I-state in the presence of OC252, and the R-state in the absence of allosteric effectors (10Choe J.-Y. Poland B.W. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 1998; 33: 11441-11450Crossref Scopus (59) Google Scholar, 17Choe J.-Y. Fromm H.J. Honzatko R.B. Biochemistry. 2000; 39: 8565-8574Crossref PubMed Scopus (63) Google Scholar). Hence, ligation of FBPas
0
Citation38
0
Save
0

The T4 Phage UvsW Protein Contains Both DNA Unwinding and Strand Annealing Activities

Scott Nelson et al.Nov 9, 2006
UvsW protein belongs to the SF2 helicase family and is one of three helicases found in T4 phage. UvsW governs the transition from origin-dependent to origin-independent replication through the dissociation of R-loops located at the T4 origins of replication. Additionally, in vivo evidence indicates that UvsW plays a role in recombination-dependent replication and/or DNA repair. Here, the biochemical properties of UvsW helicase are described. UvsW is a 3' to 5' helicase that unwinds a wide variety of substrates, including those resembling stalled replication forks and recombination intermediates. UvsW also contains a potent single-strand DNA annealing activity that is enhanced by ATP hydrolysis but does not require it. The annealing activity is inhibited by the non-hydrolysable ATP analog (adenosine 5'-O-(thiotriphosphate)), T4 single-stranded DNA-binding protein (gp32), or a small 8.8-kDa polypeptide (UvsW.1). Fluorescence resonance energy transfer experiments indicate that UvsW and UvsW.1 form a complex, suggesting that the UvsW helicase may exist as a heterodimer in vivo. Fusion of UvsW and UvsW.1 results in a 68-kDa protein having nearly identical properties as the UvsW-UvsW.1 complex, indicating that the binding locus of UvsW.1 is close to the C terminus of UvsW. The biochemical properties of UvsW are similar to the RecQ protein family and suggest that the annealing activity of these helicases may also be modulated by protein-protein interactions. The dual activities of UvsW are well suited for the DNA repair pathways described for leading strand lesion bypass and synthesis-dependent strand annealing.
0
Citation33
0
Save
0

RNA Primer Handoff in Bacteriophage T4 DNA Replication

Scott Nelson et al.May 30, 2008
In T4 phage, coordinated leading and lagging strand DNA synthesis is carried out by an eight-protein complex termed the replisome. The control of lagging strand DNA synthesis depends on a highly dynamic replisome with several proteins entering and leaving during DNA replication. Here we examine the role of single-stranded binding protein (gp32) in the repetitive cycles of lagging strand synthesis. Removal of the protein-interacting domain of gp32 results in a reduction in the number of primers synthesized and in the efficiency of primer transfer to the polymerase. We find that the primase protein is moderately processive, and this processivity depends on the presence of full-length gp32 at the replication fork. Surprisingly, we find that an increase in the efficiency of primer transfer to the clamp protein correlates with a decrease in the dissociation rate of the primase from the replisome. These findings result in a revised model of lagging strand DNA synthesis where the primase remains as part of the replisome after each successful cycle of Okazaki fragment synthesis. A delay in primer transfer results in an increased probability of the primase dissociating from the replication fork. The interplay between gp32, primase, clamp, and clamp loader dictates the rate and efficiency of primer synthesis, polymerase recycling, and primer transfer to the polymerase. In T4 phage, coordinated leading and lagging strand DNA synthesis is carried out by an eight-protein complex termed the replisome. The control of lagging strand DNA synthesis depends on a highly dynamic replisome with several proteins entering and leaving during DNA replication. Here we examine the role of single-stranded binding protein (gp32) in the repetitive cycles of lagging strand synthesis. Removal of the protein-interacting domain of gp32 results in a reduction in the number of primers synthesized and in the efficiency of primer transfer to the polymerase. We find that the primase protein is moderately processive, and this processivity depends on the presence of full-length gp32 at the replication fork. Surprisingly, we find that an increase in the efficiency of primer transfer to the clamp protein correlates with a decrease in the dissociation rate of the primase from the replisome. These findings result in a revised model of lagging strand DNA synthesis where the primase remains as part of the replisome after each successful cycle of Okazaki fragment synthesis. A delay in primer transfer results in an increased probability of the primase dissociating from the replication fork. The interplay between gp32, primase, clamp, and clamp loader dictates the rate and efficiency of primer synthesis, polymerase recycling, and primer transfer to the polymerase. The T4 4The abbreviations used are:T4bacteriophage T4gp32T4 single-stranded DNA-binding proteinssDNAsingle-stranded DNAdsDNAdouble-stranded DNAwt-gp32wild-type gp32gp32-Aresidues 1-253 of gp32gp32-Bresidues 22-301. replisome has served as a highly useful model system for studying coupled DNA replication (1Nossal N.G. FASEB J. 1992; 6: 871-878Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). The T4 replisome is made up of eight proteins, all of which have counterparts in more complex organisms such as Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and humans (2Benkovic S.J. Valentine A.M. Salinas F. Annu. Rev. Biochem. 2001; 70: 181-208Crossref PubMed Scopus (282) Google Scholar). DNA synthesis is carried out in a 5′ to 3′ direction by T4 DNA polymerase (gp43), which together with the clamp protein (gp45) makes up the holoenzyme complex (3Kaboord B.F. Benkovic S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1993; 90: 10881-10885Crossref PubMed Scopus (42) Google Scholar). The holoenzyme can form through several different routes, all dependent on the activity of the clamp loader protein (gp44/62) (4Smiley R.D. Zhuang Z. Benkovic S.J. Hammes G.G. Biochemistry. 2006; 45: 7990-7997Crossref PubMed Scopus (37) Google Scholar, 5Zhuang Z. Berdis A.J. Benkovic S.J. Biochemistry. 2006; 45: 7976-7989Crossref PubMed Scopus (23) Google Scholar). The clamp loader is an AAA+ protein that uses energy derived from ATP hydrolysis to chaperone the holoenzyme assembly process (6Kaboord B.F. Benkovic S.J. Biochemistry. 1996; 35: 1084-1092Crossref PubMed Scopus (49) Google Scholar). The T4 primosome moves along the lagging strand DNA template in the 5′ to 3′ direction and is composed of a hexameric helicase (gp41) that unwinds the duplex DNA and an oligomeric primase (gp61) that synthesizes pentaribonucleotide primers at 5′-GTT and 5′-GCT sequences to initiate repetitive Okazaki fragment synthesis (7Zhang Z. Spiering M.M. Trakselis M.A. Ishmael F.T. Xi J. Benkovic S.J. Hammes G.G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005; 102: 3254-3259Crossref PubMed Scopus (40) Google Scholar, 8Hinton D.M. Nossal N.G. J. Biol. Chem. 1987; 262: 10873-10878Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). The helicase is loaded onto the lagging strand template by the helicase loader protein (gp59) (9Barry J. Alberts B. J. Biol. Chem. 1994; 269: 33049-33062Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 10Nossal N.G. Hinton D.M. Hobbs L.J. Spacciapoli P. Methods Enzymol. 1995; 262: 560-584Crossref PubMed Scopus (33) Google Scholar). gp59 plays an additional role as a "gatekeeper" of the replisome by coordinating the assembly of the primosome with the initiation of leading strand DNA synthesis through a direct interaction with the leading strand polymerase (11Dudas K.C. Kreuzer K.N. J. Biol. Chem. 2005; 280: 21561-21569Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (24) Google Scholar, 12Xi J. Zhang Z. Zhuang Z. Yang J. Spiering M.M. Hammes G.G. Benkovic S.J. Biochemistry. 2005; 44: 7747-7756Crossref PubMed Scopus (37) Google Scholar, 13Nelson S.W. Yang J. Benkovic S.J. J. Biol. Chem. 2006; 281: 8697-8706Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (14) Google Scholar). Finally, gp32 plays a central role in most aspects of DNA metabolism, including DNA replication (14Alberts B.M. Barry J. Bedinger P. Formosa T. Jongeneel C.V. Kreuzer K.N. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1983; 47: 655-668Crossref PubMed Google Scholar). The gp32 protein coats the ssDNA produced by the primosome and is thought to be involved in the coordination of lagging strand synthesis (15Salinas F. Benkovic S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 7196-7201Crossref PubMed Scopus (54) Google Scholar). gp32 is made up of N-terminal, C-terminal, and core domains (16Waidner L.A. Flynn E.K. Wu M. Li X. Karpel R.L. J. Biol. Chem. 2001; 276: 2509-2516Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (23) Google Scholar). The N-terminal domain (domain B for "basic") is involved in cooperative ssDNA binding. Removal of residues 1-21 completely eliminates ssDNA binding cooperativity (17Giedroc D.P. Khan R. Barnhart K. J. Biol. Chem. 1990; 265: 11444-11455Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar, 18Villemain J.L. Ma Y. Giedroc D.P. Morrical S.W. J. Biol. Chem. 2000; 275: 31496-31504Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (10) Google Scholar). The major function of the highly acidic C-terminal domain (residues 254-301, domain A for "acidic") is to interact with other T4 proteins (19Krassa K.B. Green L.S. Gold L. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1991; 88: 4010-4014Crossref PubMed Scopus (42) Google Scholar). Affinity chromatography using gp32-agarose has detected interactions between gp32 and itself, gp43, gp45, and gp59 (14Alberts B.M. Barry J. Bedinger P. Formosa T. Jongeneel C.V. Kreuzer K.N. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1983; 47: 655-668Crossref PubMed Google Scholar, 20Morrical S.W. Beernink H.T. Dash A. Hempstead K. J. Biol. Chem. 1996; 271: 20198-20207Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (44) Google Scholar). gp32 also has been shown to co-purify with gp61 (21Burke R.L. Munn M. Barry J. Alberts B.M. J. Biol. Chem. 1985; 260: 1711-1722Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Removal of domain A abolishes interaction with all of these proteins (19Krassa K.B. Green L.S. Gold L. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1991; 88: 4010-4014Crossref PubMed Scopus (42) Google Scholar). The core domain is responsible for the recognition and binding of ssDNA (22Shamoo Y. Friedman A.M. Parsons M.R. Konigsberg W.H. Steitz T.A. Nature. 1995; 376: 362-366Crossref PubMed Scopus (224) Google Scholar). bacteriophage T4 T4 single-stranded DNA-binding protein single-stranded DNA double-stranded DNA wild-type gp32 residues 1-253 of gp32 residues 22-301. The T4 replisome appears to be the most dynamic of the well characterized replisomes, with the primase, clamp loader, clamp, and ssDNA-binding protein all exchanging with solution proteins during coupled leading and lagging strand synthesis (23Kadyrov F.A. Drake J.W. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29559-29566Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (34) Google Scholar, 24Trakselis M.A. Roccasecca R.M. Yang J. Valentine A.M. Benkovic S.J. J. Biol. Chem. 2003; 278: 49839-49849Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (26) Google Scholar). Additionally, the DNA polymerase is "dynamically processive," meaning solution polymerase is capable of displacing the replicating polymerase during active replication without prior disassembly of the holoenzyme complex (25Yang J. Zhuang Z. Roccasecca R.M. Trakselis M.A. Benkovic S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004; 101: 8289-8294Crossref PubMed Scopus (106) Google Scholar). Under normal conditions, only the hexameric helicase remains at the replication fork for the lifetime of the replisome (26Schrock R.D. Alberts B. J. Biol. Chem. 1996; 271: 16678-16682Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (31) Google Scholar). It is thought that many of these dynamic processes are related to the mechanism of repeated lagging strand synthesis. However, very little is known about the timing and rates of protein dissociation or how they may control lagging strand synthesis. Because of the opposite polarities of the leading and lagging strand template, the two polymerase holoenzymes must copy their templates in opposite directions (27Alberts B.M. Philos. Trans. R Soc. Lond. B Biol. Sci. 1987; 317: 395-420Crossref PubMed Scopus (74) Google Scholar). This fact, coupled with the observation that the lagging strand polymerase is resistant to dilution, led to the proposal of the "trombone model" for DNA replication (14Alberts B.M. Barry J. Bedinger P. Formosa T. Jongeneel C.V. Kreuzer K.N. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1983; 47: 655-668Crossref PubMed Google Scholar). This model links the two holoenzyme complexes and loops the lagging strand template into a structure resembling a trombone slide so that replication on both strands can occur in the same apparent direction. This model adequately explains why the lagging strand is synthesized in short 1-2-kb Okazaki fragments, whereas the leading strand is continuous. The lagging strand polymerase must repeatedly release from its position on the lagging strand template and recycle to the newly synthesized primer to begin a new round of Okazaki fragment synthesis. Presumably, interactions between the lagging strand polymerase and other components at the replication fork allow the polymerase to remain as part of the replisome during the recycling process. The signal for lagging strand polymerase release and recycling has been a subject of intense investigation (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar, 29Carver T.E. Sexton D.J. Benkovic S.J. Biochemistry. 1997; 36: 14409-14417Crossref PubMed Scopus (25) Google Scholar, 30Chastain P.D. Makhov A.M. Nossal N.G. Griffith J.D. Mol. Cell. 2000; 6: 803-814Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (29) Google Scholar, 31Hacker K.J. Alberts B.M. J. Biol. Chem. 1994; 269: 24221-24228Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Several models have been proposed to act as the trigger for lagging strand release and recycling. The two with the most support are the collision and the signaling models. The collision model states that the collision of the lagging strand polymerase with the 5′ end of the previous Okazaki fragment causes the primase to synthesize an RNA primer and the polymerase to release from the lagging strand template and recycle to the newly made primer. In the signaling model, the lagging strand polymerase releases from the DNA as the result of events that are associated with the synthesis or capture of the RNA primer. There is substantial support for both of these models, and it is likely that both mechanisms are operable during lagging strand synthesis (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). Support for the collision model comes from data indicating that the dissociation rate of the holoenzyme is drastically increased upon collision with the 5′ end of both DNA and RNA primers (29Carver T.E. Sexton D.J. Benkovic S.J. Biochemistry. 1997; 36: 14409-14417Crossref PubMed Scopus (25) Google Scholar, 31Hacker K.J. Alberts B.M. J. Biol. Chem. 1994; 269: 24221-24228Abstract Full Text PDF PubMed Google Scholar). Recent work from our laboratory has demonstrated that new Okazaki fragments can be initiated without completion of the previous fragment, indicating that the polymerase recycling via collision is not necessary (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). The responsiveness of primer utilization efficiency and Okazaki fragment size to the concentration of clamp and clamp loader led us to suggest that clamp loading onto the RNA primer could serve as the signal for lagging strand polymerase release and recycling (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). Computer simulations of lagging strand synthesis using a simple stochastic model incorporating the rate of primase association, primer synthesis, and clamp loading onto the newly synthesized primer accurately described the observed distribution of Okazaki fragments produced in vitro (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). If clamp loading does serve as the signal for lagging strand polymerase dissociation, then primer handoff must follow an indirect pathway where the primase transfers the primer to the clamp loader and clamp proteins before the release and recycling of the lagging strand polymerase. This pathway is similar to that as described in the E. coli system and contrasts that of the T7 replisome (32Yuzhakov A. Kelman Z. O'Donnell M. Cell. 1999; 96: 153-163Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (194) Google Scholar, 33Kato M. Ito T. Wagner G. Richardson C.C. Ellenberger T. Mol. Cell. 2003; 11: 1349-1360Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (93) Google Scholar). Here we report on experiments that highlight the interplay between the ssDNA-binding protein, primase, clamp, and clamp loader during the initiation of lagging strand synthesis. We examined the effect of removing the protein interaction domain of gp32 (gp32-A) on primer synthesis, primer utilization, and primase processivity. We found that total primer synthesis is drastically reduced in the presence of gp32-A, and a reduction in the efficiency of primer transfer from the primase to the polymerase is also observed. These effects combine to produce abnormally long Okazaki fragments with a broad distribution ranging from 0.2 to 10 kb. Using an inactive primase trap protein, we find that the rate of dissociation of the primase from the replisome is dependent on the concentration of clamp and clamp loader proteins, as well as the presence of intact gp32. The fast dissociation rate of primase in the presence of gp32-A can be compensated for by high concentrations of clamp and clamp loader. Based on these results, we present a more elaborate model for lagging strand DNA synthesis where the primase remains as part of the replisome through successful cycles Okazaki fragment initiation. If primer handoff is delayed, the primase has a higher probability of dissociating from the replication fork, and if this occurs, a new primase must enter the replisome from solution to begin a new round of primer synthesis. [α-32P]dCTP, [α-32P]dGTP, and [α-32P]CTP were purchased from PerkinElmer Life Sciences. Unlabeled ribonucleotides were purchased from Roche Applied Science. Bacteriophage T4 replication proteins gp41, gp61, gp43, gp44/62, gp45, gp32, and primase trap protein were purified as described previously (24Trakselis M.A. Roccasecca R.M. Yang J. Valentine A.M. Benkovic S.J. J. Biol. Chem. 2003; 278: 49839-49849Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (26) Google Scholar, 34Yang J. Trakselis M.A. Roccasecca R.M. Benkovic S.J. J. Biol. Chem. 2003; 278: 49828-49838Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar). The gp32-A-petIMPACT and gp32-B-petIMPACT plasmids were provided by Jingsong Yang. The minicircle substrate was prepared as described previously (15Salinas F. Benkovic S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 7196-7201Crossref PubMed Scopus (54) Google Scholar). Single-stranded M13 phage DNA (ssM13) was purified from infected XL1-Blue cells by polyethylene glycol precipitation and phenol extraction as described (35Sambrook J.F. Maniatis T. Sambrook J.F. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY1989: 431-432Google Scholar). The sequence of the oligonucleotide used in the priming assays was 5′-AGAGGGAGATTTAGATGAGATGATTGAGGATGGAGATGTTGATGGAGAGATGATGAATGATGAGATGAGGG-3′. Expression and Purification of gp32-A and gp32-B Mutant Proteins—The gp32-A-petIMPACT or gp32-B-petIMPACT plasmids were transformed into BL21(DE3) cells and grown (separately) in 20 ml of Luria broth (LB) overnight at 37 °C. The expression and purification of gp32-A and gp32-B were identical. The overnight cultures were diluted 100-fold into two 1-liter flasks of LB and grown at 37 °C to an A600 of 0.8. The cultures were then allowed to cool to 18 °C, and protein expression was induced with 0.2 mm of isopropyl 1-thio-β-d-galactopyranoside. After 16 h of shaking, cells were collected by centrifugation at 6000 × g and resuspended in 80 ml of chitin column binding buffer containing one protease inhibitor pellet (Roche Applied Science). Cells were lysed using sonication, and cell debris was pelleted at 25,000 × g. Cell-free extract was loaded onto a 5-ml chitin column and washed with 200 column volumes of chitin binding buffer. The chitin resin was then resuspended in binding buffer plus 75 mm β-mercaptoethanol and incubated for 48 h at 4 °C to facilitate intein-mediated cleavage. Following cleavage, gp32-A or gp32-B proteins were eluted, dialyzed into storage buffer, and analyzed for purity using SDS-PAGE. Protein concentrations were determined by measuring the absorbance at 280 nm using an extinction coefficient of 38690 m-1 cm-1 for both gp32-A and gp32-B. Standard Minicircle Replication Reactions and Measurement of Primer Utilization—Replication reactions were carried out in a standard replication buffer (25 mm Tris acetate (pH 7.8), 125 mm KOAc, and 10 mm Mg(OAc)2) at 37 °C. The standard conditions used to assemble and initiate the replication reaction consisted of the following: 100 nm minicircle substrate; 200 nm each of gp43, gp45 (as trimer), and gp44/62; 600 nm each of monomer gp41, gp61, and gp59; 0.5 μm of gp32; 100 μm each of CTP, GTP, and UTP; 2 mm ATP; 50 μm each of dATP, dGTP, dCTP, and dTTP, in a typical reaction volume of 12 μl. The reaction was allowed to proceed for 2.5 min followed by a 10-fold dilution into replication buffer containing gp43, gp44/62, gp45, gp61, gp59, ATP, CTP, UTP, and GTP at the standard concentrations. Wild-type or gp32 mutant was included in the dilution buffer at a concentration of 2 μm along with 25 μCi of [α-32P]dGTP or [α-32P]dCTP for visualization of leading or lagging strands, respectively. 20-μl aliquots were removed at the indicated time points and quenched with a half-volume of 0.5 m EDTA. The quenched reactions were analyzed with either DE81 filter binding assays or alkaline agarose gel electrophoresis (34Yang J. Trakselis M.A. Roccasecca R.M. Benkovic S.J. J. Biol. Chem. 2003; 278: 49828-49838Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (28) Google Scholar). For the filter binding assay, an 8-μl sample of the quenched reaction aliquot was spotted onto DE81 filters and allowed to air dry for ∼5 min. The filters were then washed 10 times with 100 ml of 300 mm ammonium formate or until the wash had an insignificant level of radioactivity as determined by a hand-held Geiger counter. Following the ammonium formate washes, the filters were washed once with 100% EtOH and allowed to air-dry for 30 min. Once dried, the filters were placed in LSC vials with 5 ml of Ecoscint LSC mixture in each vial and counted with single channel liquid scintillation counting. For the analysis of replication products using alkaline-agarose gel electrophoresis, 10 μl of the quenched reaction aliquot was mixed with 10 μl of loading dye (50% glycerol and 0.1% Orange G) and loaded onto a 15 × 25-cm 1% agarose gel in 30 mm NaOH and 1 mm EDTA. The samples were run at 40 V for 24 h in 30 mm NaOH and 1 mm EDTA buffer. After running, the gels were removed from their trays and neutralized by soaking in 1× TBE buffer for 1 h at room temperature. The neutralized gels were then dried onto a sheet of DE81 paper using a stack of paper towels to facilitate gel drying. After 4 h of drying with the paper towels, the gel and filter sheet were vacuum-dried. The dried gel and DE81 filter paper were then exposed overnight to a PhosphorImager plate and analyzed using a Storm 800 PhosphorImager system (Amersham Biosciences). To measure primer utilization, the standard replication reaction was performed by replacing [α-32P]dCTP with [α-32P]CTP in the dilution buffer. The reactions were quenched with an equal volume of 0.5 m EDTA at 2, 4, and 8 min after dilution. Reaction products were then mixed with loading dye (formamide with 0.2% xylene cyanol FF and bromphenol blue) and run on a 20% urea-acrylamide gel at 25 mA for 3 h at room temperature. The gel was then removed from the glass plates, wrapped in plastic film, and directly exposed to a PhosphorImager plate overnight. The PhosphorImager plate was analyzed using the Storm PhosphorImager. The total number of primers synthesized was calculated by summing the signal from the free and utilized primers. The percent primer utilization was determined by dividing the signal from utilized primers by the total number of primers. Single-stranded DNA Priming Assays—Priming reactions were carried out in the standard replication buffer containing 0.4 μm gp41, 0.4 μm gp61, 100 nm gp59 (ssM13 reactions only), 2 μm gp32 (wild-type or mutant where indicated), 2 mm ATP, 100 μm each of CTP, GTP, and UTP, and either 10 nm M13 ssDNA or 3 μm ssDNA oligonucleotide (strands) in a typical reaction volume of 25 μl. Approximately 20 μCi of [α-32P]CTP per reaction was used for labeling the primer. For dilution experiments using the primase trap protein, the reactions were initiated using the same protein, nucleotide, and ssM13 concentrations as above except that wt-gp32 was used exclusively in the pre-dilution reaction. The reactions were allowed to proceed for 2.5 min before a 10-fold dilution into buffer containing only nucleotides, trap protein (3 μm), and either wt-gp32 or gp32-A. The reactions were carried out at 37 °C, and aliquots were withdrawn at the indicated times and quenched with an equal volume of 0.5 m EDTA, pH 8.0. Priming products were analyzed by 20% urea-acrylamide sequencing gel electrophoresis. Autoradiography was accomplished as described above. Leading and Lagging Strand Replication with Wild-type and Mutant gp32 Proteins—The replisome was assembled using a low concentration wild-type gp32 (0.5 μm), followed by 10-fold dilution into replication buffer containing 2 μm wild-type or mutant gp32. This allows for the assembly and initiation of leading and lagging strand synthesis under normal conditions, followed by a rapid exchange of ssDNA-bound protein with the excess of protein in the dilution buffer (23Kadyrov F.A. Drake J.W. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29559-29566Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (34) Google Scholar). The minicircle DNA substrate was used so that the leading and lagging strand could be independently monitored using alkaline agarose gel electrophoresis or DE81 filter binding assays (Fig. 1). We examined the leading and lagging strand replication products with gp32-A, gp32-B, wt-gp32, and no gp32 in the dilution buffer (Fig. 2). Omission of gp32 from the dilution buffer leads to the inhibition of both leading and lagging strand DNA synthesis. This is a consequence of the rapid production of uncoated ssDNA that chelates the distributive replisomal proteins (e.g. gp45, gp44/62) and has been previously observed by us and others (15Salinas F. Benkovic S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 7196-7201Crossref PubMed Scopus (54) Google Scholar, 36Kadyrov F.A. Drake J.W. Nucleic Acids Res. 2002; 30: 4387-4397Crossref PubMed Scopus (18) Google Scholar). Inclusion of gp32-A in the dilution buffer results in helicase-dependent leading strand DNA synthesis that is very similar to the reaction containing wt-gp32 in the dilution buffer. However, when compared with the wt-gp32 reaction, there is a significant increase in the amount of helicase-independent strand displacement synthesis (indicated by the black arrows in Fig. 2). This is likely because of a reduction in the ability of gp59 to "lock" the polymerase in an inhibited state in the absence of a gp59-gp32 interaction (37Lefebvre S.D. Wong M.L. Morrical S.W. J. Biol. Chem. 1999; 274: 22830-22838Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (38) Google Scholar). Lagging strand DNA synthesis in the presence of gp32-A is reduced compared with the amount of leading strand synthesis produced in the same reaction, although the fragments tend to be longer. This indicates that the leading and lagging strand polymerases have become uncoupled (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). Leading and lagging strand replication in the presence of gp32-B protein is reduced in a manner very similar to the reaction performed with gp32 omission. Presumably, the loss of cooperativity in ssDNA binding reduces the overall affinity to a level where gp32-B does not bind to ssDNA. For this reason, we focused our efforts at understanding the effects of gp32-A on lagging strand synthesis. We next examined the lagging strand products of reactions carried out with wt-gp32 or gp32-A in the dilution buffer in more detail. To equalize the relative amounts of signal in the reactions, we increased the amount of α-32P by 5-fold in the gp32-A reaction (Fig. 3). This enables an accurate determination of both the average Okazaki fragment length and the size distribution. As shown, the average length of Okazaki fragments in the gp32-A reaction is 2.3 times longer than the wt-gp32 reaction, and the size distribution is much broader in the presence of gp32-A (0.1-8 kb) as compared with the wild-type enzyme (0.1-2 kb). The production of longer Okazaki fragments can be caused by a decrease in either the primer synthesis rate or in the efficiency of primer handoff, or both (28Yang J. Nelson S.W. Benkovic S.J. Mol. Cell. 2006; 21: 153-164Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (50) Google Scholar). To determine what mechanism is responsible for the increase in Okazaki fragment length in the presence of gp32-A, we carried out full replisome replication assays in the presence of [α-32P]CTP to label RNA primers produced by the primase. The products of these reactions were analyzed using urea-PAGE and quantitated as shown in Fig. 4. This analysis reveals both a decrease in the total primers synthesized (Fig. 4A) and in the percentage of primers being used for Okazaki fragment initiation by gp32-A (Fig. 4B). The decrease in primer number is not the result of fewer replication forks or a decrease in the amount of lagging strand template produced because the assembly of the replisome is carried out under identical conditions for both gp32-A and wt-gp32 reactions, and leading strand DNA synthesis is not affected by the gp32-A mutant (Fig. 2). The decrease in total primer synthesis could be the result of a reduction in catalytic efficiency of the primase protein itself (presumably through the loss of interaction with gp32) or a reduction in the number of replisomes containing primase (i.e. a decrease in binding rate or increase in dissociation rate). To determine whether gp32 directly affects the catalytic activity of the primase protein, we examined the activity of the primase using an ssDNA oligonucleotide containing a single priming recognition site. Under the conditions of this assay, the formation of a helicase-primase-DNA complex is efficient, and thus the overall rate of primer synthesis depends on the activity of the primase protein itself (i.e. the kcat for the priming reaction). Additionally, the loading of primase and helicase onto the ssDNA oligonucleotide does not require gp59 and therefore does not require a specific gp32-gp59 interaction. Compared with a reaction performed without gp32, the rate of primer synthesis is unaffected by the presence of either wt-gp32 or gp32-A (Fig. 4C). This indicates that the decrease in the priming rate of the gp32-A-containing replisome is not because of a reduc
0
Citation29
0
Save
0

Tryptophan Fluorescence Reveals the Conformational State of a Dynamic Loop in Recombinant Porcine Fructose-1,6-bisphosphatase,

Scott Nelson et al.Aug 17, 2000
Wild-type porcine fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) has no tryptophan residues. Hence, the mutation of Try57 to tryptophan places a unique fluorescent probe in the structural element (loop 52−72) putatively responsible for allosteric regulation of catalysis. On the basis of steady-state kinetics, circular dichroism spectroscopy, and X-ray crystallography, the mutation has little effect on the functional and structural properties of the enzyme. Fluorescence intensity from the Trp57 mutant is maximal in the presence of divalent cations, fructose 6-phosphate and orthophosphate, which together stabilize an R-state conformation in which loop 52−72 is engaged with the active site. The level of fluorescence emission decreases monotonically with increasing levels of AMP, an allosteric inhibitor, which promotes the T-state, disengaged-loop conformation. The titration of various metal−product complexes of the Trp57 mutant with fructose 2,6-bisphosphate (F26P2) causes similar decreases in fluorescence, suggesting that F26P2 and AMP individually induce similar conformational states in FBPase. Fluorescence spectra, however, are sensitive to the type of divalent cation (Zn2+, Mn2+, or Mg2+) and suggest conformations in addition to the R-state, loop-engaged and T-state, loop-disengaged forms of FBPase. The work presented here demonstrates the utility of fluorescence spectroscopy in probing the conformational dynamics of FBPase.
0
Citation28
0
Save
0

An Interaction between the Walker A and D-loop Motifs Is Critical to ATP Hydrolysis and Cooperativity in Bacteriophage T4 Rad50

Metzere Rosa et al.May 25, 2011
The ATP binding cassette (ABC) proteins make up a large superfamily with members coming from all kingdoms. The functional form of the ABC protein nucleotide binding domain (NBD) is dimeric with ATP binding sites shared between subunits. The NBD is defined by six motifs: the Walker A, Q-loop, Signature, Walker-B, D-loop, and H-loop. The D-loop contains a conserved aspartate whose function is not clear but has been proposed to be involved in cross-talk between ATP binding sites. Structures of various ABC proteins suggest an interaction between the D-loop aspartate and an asparagine residue located in Walker A loop of the opposing subunit. Here, we evaluate the functional role of the D-loop using a bacteriophage T4 ABC protein, Rad50 (gp46). Mutation of either the D-loop aspartate or the Walker A asparagine results in dramatic reductions in ATP affinity, hydrolysis rate, and cooperativity. The mutant proteins bind Mre11 (gp47) and DNA normally, but no longer support the ATP-dependent nuclease activities of Mre11. We propose that the D-loop aspartate functions to stabilize the Walker A asparagine in a position favorable for catalysis. We find that the asparagine is crucially important to the mechanism of ATP hydrolysis by increasing the affinity for ATP and positioning the γ-phosphate of ATP for catalysis. Additionally, we propose that the asparagine acts as a γ-phosphate sensor and, through its interaction with the conserved D-loop aspartate, transmits conformational changes across the dimer interface to the second ATP binding site. The ATP binding cassette (ABC) proteins make up a large superfamily with members coming from all kingdoms. The functional form of the ABC protein nucleotide binding domain (NBD) is dimeric with ATP binding sites shared between subunits. The NBD is defined by six motifs: the Walker A, Q-loop, Signature, Walker-B, D-loop, and H-loop. The D-loop contains a conserved aspartate whose function is not clear but has been proposed to be involved in cross-talk between ATP binding sites. Structures of various ABC proteins suggest an interaction between the D-loop aspartate and an asparagine residue located in Walker A loop of the opposing subunit. Here, we evaluate the functional role of the D-loop using a bacteriophage T4 ABC protein, Rad50 (gp46). Mutation of either the D-loop aspartate or the Walker A asparagine results in dramatic reductions in ATP affinity, hydrolysis rate, and cooperativity. The mutant proteins bind Mre11 (gp47) and DNA normally, but no longer support the ATP-dependent nuclease activities of Mre11. We propose that the D-loop aspartate functions to stabilize the Walker A asparagine in a position favorable for catalysis. We find that the asparagine is crucially important to the mechanism of ATP hydrolysis by increasing the affinity for ATP and positioning the γ-phosphate of ATP for catalysis. Additionally, we propose that the asparagine acts as a γ-phosphate sensor and, through its interaction with the conserved D-loop aspartate, transmits conformational changes across the dimer interface to the second ATP binding site.
0
Citation27
0
Save
Load More