メチル-TROSYベースのNMRを用いた20Sプロテアソームコア粒子の長距離協調性の探索

Exploring long-range cooperativity in the 20S proteasome core particle from using methyl-TROSY-based NMR.

• Enrico Rennella
• Rui Huang
• Zanlin Yu
• Lewis E Kay

抄録

20Sコア粒子（CP）プロテアソームは、誤って折り畳まれたタンパク質や機能に必要のなくなったタンパク質の分解を触媒する分子集合体である。プロテアソームは、樽のような構造を形成する4つのヘプタメリックリングを積み重ねて構成されており、その内腔内にタンパク質分解部位を隔離しています。プロテアソームの機能は、αリングの末端に由来するゲートと、バレルの片方または両端に調節粒子（RP）を結合することによって制御されています。CPは、分子の一方の端からその中心の触媒部位まで伸びる広範なアロステリック経路を持つ動的なものである。ここでは、高分子量錯体の研究のために最適化されたメチル横緩和最適化分光法（TROSY）ベースのNMRを用いて、この経路が分子の150Åの長さ全体に広がっているかどうかを評価する。これにより、11S RP結合の効果、またはバレルの一方の端でのゲートまたはアロステリック経路の突然変異の導入の効果を遠位端で評価することができる。我々の結果は、11S結合と鍵となる突然変異の導入がCPの各半分にアロステリックに影響を与える一方で、分子の反対側の端をさらに結合させることはないことを証明した。このことは、CPの各末端が異なるレギュレーターと結合し、CPが両方のRPに同時に応答することを可能にする、いわゆる"ハイブリッド"プロテアソームの機能に意味を持つ可能性があります。本研究では、ホモオリゴマー分子機械におけるコミュニケーションの経路を解剖するための一般的なNMR戦略を紹介する。

The 20S core particle (CP) proteasome is a molecular assembly catalyzing the degradation of misfolded proteins or proteins no longer required for function. It is composed of four stacked heptameric rings that form a barrel-like structure, sequestering proteolytic sites inside its lumen. Proteasome function is regulated by gates derived from the termini of α-rings and through binding of regulatory particles (RPs) to one or both ends of the barrel. The CP is dynamic, with an extensive allosteric pathway extending from one end of the molecule to catalytic sites in its center. Here, using methyl-transverse relaxation optimized spectroscopy (TROSY)-based NMR optimized for studies of high-molecular-weight complexes, we evaluate whether the pathway extends over the entire 150-Å length of the molecule. By exploiting a number of different labeling schemes, the two halves of the molecule can be distinguished, so that the effects of 11S RP binding, or the introduction of gate or allosteric pathway mutations at one end of the barrel can be evaluated at the distal end. Our results establish that while 11S binding and the introduction of key mutations affect each half of the CP allosterically, they do not further couple opposite ends of the molecule. This may have implications for the function of so-called "hybrid" proteasomes where each end of the CP is bound with a different regulator, allowing the CP to be responsive to both RPs simultaneously. The methodology presented introduces a general NMR strategy for dissecting pathways of communication in homo-oligomeric molecular machines.