Enhanced resolution of molecular recognition to distinguish structurally similar molecules by different conformational responses of a protein upon ligand binding

基質結合時の構造変化の違いを利用した分子認識の高精度化

樋口 真理子; 藤井 淳平*; 米谷 佳晃; 北尾 彰朗*; 郷 信広*

Higuchi, Mariko; Fujii, Jumpei*; Yonetani, Yoshiteru; Kitao, Akio*; Go, Nobuhiro*

ヌクレオシドdGTPと損傷したヌクレオシド8oxodGTPは構造が似ているが、修復酵素MutTは結合力の大きな差によって両者を区別している。本研究では分子動力学シミュレーションの手法を用いて、基質の小さな差を増幅し大きな結合力の差として認識する分子的な仕組みを解明した。MutTはdGMPとの結合時は基質周辺のループが開いている状態が安定だが、8oxodGMPとの結合時は基質周辺のループが閉じている状態が安定であることがわかった。このような結合構造の違いが結合力の大きな差を生み出していると考えられる。さらに、基質のH7とMutTの119番目の残基Asnをつなぐ水素結合が結合構造の違いに重要な役割を果たしていることがわかった。

MutT distinguishes substrate 8-oxo-dGTP from dGTP and also 8-oxo-dGMP from dGMP despite small differences of chemical structures between them. In this paper we show by the method of molecular dynamics simulation that the transition between conformational substates of MutT is a key mechanism for a high resolution molecular recognition of the differences between the very similar chemical compounds. The native state MutT has two conformational substates with similar free energies, each characterized by either open or close of two loops surrounding the substrate binding active site. Between the two substates, the open substate is more stable in free MutT and in dGMP-MutT complex, and the closed substate is more stable in 8-oxo-dGMP-MutT complex. A hydrogen bond between H7 atom of 8-oxo-dGMP and the sidechain of Asn119 plays a crucial role for maintaining the closed substate in 8-oxo-dGMP-MutT complex.