代謝補因子NADHとFADは、プリマーゼの非カノニカルな開始基質として作用し、インビトロでの複製プライマー処理に影響を与える

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Nucleic Acids Res..2020 Jul;48(13):7298-7306. 5848241. doi: 10.1093/nar/gkaa447.

代謝補因子NADHとFADは、プリマーゼの非カノニカルな開始基質として作用し、インビトロでの複製プライマー処理に影響を与える

Metabolic cofactors NADH and FAD act as non-canonical initiating substrates for a primase and affect replication primer processing in vitro.

Christina Julius
Paula S Salgado
Yulia Yuzenkova

PMID: 32463447 DOI: 10.1093/nar/gkaa447.

抄録

二本鎖DNAの複製をde novoで開始するためには、すべての生物がプリマーゼを必要とします。ここでは、プリマーゼがATPを基質としているのではなく、代謝補因子を開始基質として利用できることを明らかにした。大腸菌のDnaGプライマーゼは、NADH（ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチドの還元型）とFAD（フラビン・アデニン・ジヌクレオチド）を用いてRNAの合成を開始します。これらの補酵素は、余分な部位に共有結合した ADP コアで構成されています。これらの代謝物のＡＤＰ成分は、ＤＮＡテンプレートと塩基対をなし、ＲＮＡ伸長のための３'-ＯＨ基を提供します。飢餓応答制御因子であるppGppは、重複する結合部位との競合により、補酵素との開始を強く阻害します。効率的なRNAプライマー処理は岡崎フラグメントの成熟化の前提条件であり、インビトロでのDNAポリメラーゼIによるプライマー処理の効率は、その5'末端の補因子によって特異的に影響を受けることを見いだした。これらの結果から、プライマーゼの基質としての補因子の利用が、複製開始と岡崎断片処理の制御に影響を与えている可能性が示唆された。

To initiate replication on a double-stranded DNA de novo, all organisms require primase, an RNA polymerase making short RNA primers which are then extended by DNA polymerases. Here, we show that primase can use metabolic cofactors as initiating substrates, instead of its canonical substrate ATP. DnaG primase of Escherichia coli initiates synthesis of RNA with NADH (the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide) and FAD (flavin adenine dinucleotide) in vitro. These cofactors consist of an ADP core covalently bound to extra moieties. The ADP component of these metabolites base-pairs with the DNA template and provides a 3'-OH group for RNA extension. The additional cofactors moieties apparently contact the 'basic ridge' domain of DnaG, but not the DNA template base at the -1 position. ppGpp, the starvation response regulator, strongly inhibits the initiation with cofactors, hypothetically due to competition for overlapping binding sites. Efficient RNA primer processing is a prerequisite for Okazaki fragments maturation, and we find that the efficiency of primer processing by DNA polymerase I in vitro is specifically affected by the cofactors on its 5'-end. Together these results indicate that utilization of cofactors as substrates by primase may influence regulation of replication initiation and Okazaki fragments processing.