Structural insight into proline cis/trans isomerization of unfolded proteins catalyzed by the Trigger Factor chaperone

トリガーファクターシャペロンによって触媒される変性蛋白質のプロリンのシストランス異性化の構造的知見

川越 総一郎*; 中川 洋   ; 久米田 博之*; 石森 浩一郎*; 齋尾 智英*

Kawagoe, Soichiro*; Nakagawa, Hiroshi; Kumeta, Hiroyuki*; Ishimori, Koichiro*; Saio, Tomohide*

分子シャペロンは、しばしば、クライアントタンパク質中のジスルフィド架橋およびシス形態のペプチジル-プロリル結合などの特定の構造要素の形成を補助することに特化した機能的モジュールを有する。ペプチジル-プロリルシス/トランスイソメラーゼ(PPIase)ドメイン(PPD)を有するリボソーム関連分子シャペロントリガーファクター(TF)は、ペプチジル-プロリル異性化によって制限される折りたたみプロセスにおいて非常に効率的な触媒として作用する。本論文では、TFがシス/トランス異性化プロセス中に折り畳まれていないクライアントタンパク質中のプロリン残基を認識する機構に関する成果を報告する。クライアントタンパク質と複合体を形成するTFの溶液構造は、TFが保存された疎水性領域を介して展開されていないクライアントタンパク質の疎水性領域に位置するプロリン-芳香族モチーフを認識することを示し、これはTFがペプチジル-プロリル結合の異性化を優先的に促進し、最終的にそのタンパク質のコアの中に折り畳まれる。分子動力学シミュレーションは、TFが転移状態でプロリン残基に先行するアミノ酸残基のカルボニル酸素との分子間水素結合を形成するためにI195の骨格アミド基と相互作用することを示した。これはおそらく転移状態を安定化し、したがって異性化を加速する。触媒中のこのような分子間水素結合形成の重要性は、活性アッセイおよびNMR緩和分析によってさらに裏付けられた。

Molecular chaperones often possess functional modules that are specialized in assisting the formation of specific structural elements, such as a disulfide bridges and peptidyl-prolyl bonds in cis form, in the client protein. A ribosome-associated molecular chaperone Trigger Factor (TF), which has a peptidyl-prolyl cis/trans isomerase (PPIase) domain (PPD), acts as a highly efficient catalyst in the folding process limited by peptidyl-prolyl isomerization. Herein we report a study on the mechanism through which TF recognizes the proline residue in the unfolded client protein during the cis/trans isomerization process. The solution structure of TF in complex with the client protein showed that TF recognizes the proline-aromatic motif located in the hydrophobic stretch of the unfolded client protein through its conserved hydrophobic cleft, which suggests that TF preferentially accelerates the isomerization of the peptidyl-prolyl bond that is eventually folded into the core of the protein in its native fold. Molecular dynamics simulation revealed that TF exploits the backbone amide group of I195 to form an intermolecular hydrogen bond with the carbonyl oxygen of the amino acid residue preceding the proline residue at the transition state, which presumably stabilizes the transition state and thus accelerates the isomerization. The importance of such intermolecular hydrogen bond formation during the catalysis was further corroborated by the activity assay and NMR relaxation analysis.