Yeast Chorismate Mutase: Molecular Evolution of an Allosteric Enzyme

Abstract

Die Chorismatmutase (CM, EC 5.4.99.5), kodiert durch ARO7, katalysiert die Claisen-Umlagerung von Chorismat zu Prephenat in der Biosynthese von Tyrosin und Phenylalanin. Das relativ kleine, dimere Enzym der Hefe Saccharomyces cerevisiae wird allosterisch durch Tryptophan aktiviert und allosterisch durch Tyrosin inhibiert. In der vorliegenden Arbeit wurde die Theorie widerlegt, dass die Chorismatemutase an der Osmoregulation und Vakuolenentstehung beteiligt ist. Die Analyse einiger Stämme mit punktmutiertem oder deletiertem ARO7-Gen zeigte ausschließlich eine Funktion in der Aminosäure-Biosynthese. Die Fusion an das grün-fluoreszierende Protein ermöglichte die Lokalisierung der CM in Cytoplasma und Kern der Hefezelle.Auf Proteinebene wurde der intramolekulare Signalübertragungsweg von den allosterischen zu den aktiven Zentren näher untersucht. Es wurden Chimären-Enzyme hergestellt, in denen das molekulare Scharnier L220s zwischen der katalytischen und allosterischen Domäne ausgetauscht wurde gegen den entsprechenden Bestandteil homologer Pilzenzyme. Die kinetische Analyse zeigte, dass dieser Proteinteil essentiell ist für die Unterscheidung zwischen dem Signal Aktivierung bzw. Inhibierung. Diese Region ist auch für die Dimerisierung der CM von Bedeutung. Durch Austausch hydrophober Aminosäuren gegen geladene Reste in und in der Nähe dieses Scharniers wurde eine stabile, monomere Enzymvariante hergestellt. Diese CM zeigte reduzierte Aktivität und keine Regulation, aber das kodierende Gen komplementierte die Tyrosin- und Phenylalanin-Auxotrophie der Zellen. Diese Ergebnisse unterstützen die Theorie, dass das Hefeenzym durch gleichzeitige Evolution von Regulations- und Stabilisierungsmechanismen aus einem monomeren, unregulierten Vorläuferprotein entstanden ist, welches dem der Escherichia coli CM ähnlich war. Um weitere Erkenntnisse über die Prinzipien der Proteinstabilisierung zu erhalten, wurde auch die Chorismatmutase on Thermus thermophilus charakterisiert, nachdem das kodierende Gen kloniert war. Dieses Enzym ist ähnlich zu der strukturell einzigartigen Chorismatmutae aus Bacillus subtilis, wird aber, im Gegensatz zu letzterem durch Tyrosin in seiner Aktivität gehemmt. Modellierungsstudien zeigten, dass wie auch bei anderen Proteinen verstärkte Hydrophilität von Oberflächen, erhöhte Hydrophobizität innerhalb der Struktur wie auch die Versteifung von Loops in der Nähe des aktiven Zentrums zur Stabilisierung dieser Proteinfaltung beitragen.