Исследование кофермент-связывающих центров АТР- и PLP-зависимых белков методом сравнительного конформационного анализа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИССЛЕДОВАНИЕ КОФЕРМЕКГГ-СВЯЗЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ АТР- И PLP-ЗАВИСИМЫХ БЕЛКОВ МЕТОДОМ СРАВНИТЕЛЬНОГО КОНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА

01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

•J

Ол

На правах рукописи

ДЕНЕСЮК Константин Александрович

Автореферат диссертации на соискаиие ученой степени канлнлзта физико-математических наук

Долгопрудный - 1998

Работа выполнена в Московское фиэихо-техническом институте и в Университете г. Турку, Финляндия

Научный руководитель:

Член-хорреспокдснт РАЕН, профессор А-В. ШИШКОВ Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Ю.Ф. КРУПЯНСКИЙ Доктор физико-ыатеиатм сских наук Г.В. СЕМИСОТНОВ

Ведущая организация:

НИИ физнко-химической биологии им. А.Н. Белозерского, МГУ

Защита состоится " ?5 " сентября 1998 г. в_ч

на заседании Диссертационного Совета К.063.91.06 Московского физико-технического института по адресу: 141700 г. Долгопрудный, Институтски« переулок, 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан " 25 " августа 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук

В.Е. БРАГИН

ОБ1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аленозин-5'-трифосфат (АТР) служит универсальным источником энергии во всех организмах. Кроме этого, АТР необходим для каталитической активности целого ряда ферментов в качестве кофактора или аллостерического эффектора. Определение общих структурных элементов, ответственных за распознавание АТР в различных белках, представляет фундаментальный интерес для современной молекулярной химии. В общем случае, задача "распознавания" кофактора не отранпчива-тся только АТР н обобщается на все чшроко распространённые лигянды, такие как, например, пнридоксаль-5*-фосфат (PI-P), производная витамина

Существует почти бесконечное количество способов сворачивания нолипетилноК цепи в компактную глобулу. Тем не менее, доминирование двух основных элеиенгор вторичной структуры (а-спираль и р-цепь) о!раничивает типы наблюдаемых укладок. Кроме этого, существуют также различные физические шраничения на упаковку элементов шоричыой структуры н сулервгоричний мотив. Это приводит к тому, что и структурах многих белков содержатся похожие, наиболее выгодные, распределения вторичной структуры.

Эволюииопно связанные белки могут быть выявлены сравнением их аминокислотных последовательностей. В некоторых случаях, однако, последовательности могут разойтись настолько, что структурные сходства - это всё, что остаётся в результате эволюции. И наоборот, если число упаковок лимитироьано физически, белки могут случайно иметь похожие упаковки при абсолютно различных последовательностях.

Таким образок, для определения общих локальных структурных элементов, структуры должны быть сравнены непосредственно. Ранее, подходи для сравнения «елкой основывались в основной на визуальном выявлении общих остатков и последующей суперпозиции структур. В случае АТР-зависнмых, PL Р-завис и mux и других белков, не с интшых эволюции!(но и имеющих рахчнчные типы укладе;;, необходим метод, не использующий a priori информации об общих остатках и способный выявить локальные сходства используя только структуры белков в качестве исходных данных.

Циклический АМР-зависимая протеинкиназа (сАРК), D-Ala: D-Ala лигам (DD-лигаза) и гисищил-тРНК-синтетаза (KisRS) катализируют три независимые химические реакции и принадлежат к неродственным семействам ферментов. Эти белки связывает то, что они используют в качество кофактора молекул у АТР, необходимого для их каталитической активности. Недавно было показано, что в структурах DD-лшазы и сАРК существует коиформационно-.чодобный тетрапептит находящийся в районе аденияового кольца кофермента ATP (Kobayashi и Go, 1997). Тетрапептиды образовывает по две водородные связи с адекипамн коферментов и были названы АТР-съязываюшш мотивом.

Аспартат амннотрансфераза (AspAT), (3-субьедтпша триптофан синтетазьд (TrpS|J), D-аминокнслотная амннотрансфераза (D-AAT), аланин рацемаза (AlaR) и гликоген фосфор плаза (GP) используют для катализа ооих реакций в качестве кофермента другую, не менее распространенную в природе, молекулу PLP. Эти белки имеют различные укладки PLP-связываклцих доменов. Тем не менее использование одинакового кофактора проявляется в определенных структурных сходствах при

построении их PLP-связывающих центров. Оказывается, эти центры всегда локализованы в районе между амино-концом "якорной" спирали и ближайшим краем р-слоя.

Анализируя эти локальные сходства, встал вопрос о том, являются ли они частью общих мотивов, ответственных за опознавание белками АТР и PLP и, если да, то каковы эти мотивы. Для ответа на этот вопрос необходим дальнейший детальный сравнительный конфсрмационный анализ различных АТР- и PLP-зависикых белков в связи с потенциальной возможностью: а) эквивалентного расположения ключевых аминокислот, катионов металлов н молекул соды, ответственных за специфические взаимодействия с коферментами и обеспечивающих их аналогичное размещение в центрах связывания; б) существования других, топологически общих к в ряде случаев гораздо более длинных, фрашентов полинептидных цепей; и в) формирования этими фрагментами полипептидных цепей идентичных вторичных структур, упакованных о эквивалентные сунервторичнкс структуры.

Цель работы. В настоящей работе, исходя из вышеизложенного, были поставлены следующие задачи:.

1. Разработать автоматизированный компьютерный метод, позволяющий определять и сравнивать сегменты локальной структурной гомологии s различных белках независимо от их расположения я структурах, топологии укладки и направления полипентвдной цепи.

2. Определить топологически обшиа фрагменты гэлипептидных нейей DD-лигазн и сАРК. В предел;« этик фрагментов установить аминокислоты, ответственные за структурно -эквивалентные

з

взаимодействия с кофсрментами, ¡анионами металлов и водой в двух белках.

3. Найти и проанализировать общий набор атомов (структурный мотив), ответственный за эквивалентное связывание АГР в комплексах AIP-зависимых белков с кофактором.

4. Провести сравнительный конформационный анализ представителей пяти неродственных семейств PLP-зависимых белков с целью поиска важных структурных сходств вблизи кофермсита.

Научная новизна. В панной работе описывается новый компьютерный метод GENF1T, позволяющий как автоматизированное определение районов локального структурного сходства эволюпионно несвязанных белков, имеющих различные упаковки, так и разрешающий проведение глобального сравнительного конформационного ана.иза таких белков. С помощью метода сравнительною конформационного анализа было впервые: 1) показано существование аналогичных сунервторичних структур у ОО-лигазы и сАРК, и выявлено 17 эквивалентных аминокислот, взаимодействующих с коферменгом; 2) найлены общие наборы из пяти ключевых атомов у грех АТР-зависимых белков с различной третичной структурой, эквивалентно взаимодействующие с кофакторам (АТР-связывлюший мотив); и 3) установлено существование обшей суперзторичнон структуры, важной для формирования PLР-свя)ына-отцеiо центра в пяти различных топологиях PLP-зависимых ферментов Практическая ШШОЙСЬ- Полученные в работе результаты с одной стороны позволит приблизиться к пониманию природы конвергентной эволюции белков к одному и тому же структурному мотиву, обеспечивающему коферменту комплемент арность к белку, и с другой стороны представляют интерес с практической точки

4

зрения их использования в медицине и биотехнологии при структурных модификациях АТР- и PLP-зависимых белков с целью изменения их ферментативной активности для разработки новых медицинских препаратов.

Апробация работа и публикации. Основные результаты работы были доложены на VII ежегодном симпозиуме "Структура и Сворачивание" (Турху, Финляндия, 1997). Всего по теме диссертации опубликовано четыре работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения и 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 99 наименований. Работу иллюстрируют 33 рисунка, 6 схем и 4 таблицы, обший объем диссертации 114 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В литературном обзоре (Глава 1), состоящем из двух частей, первач часть посвящена изложению имеющихся к настоящему времени совокупности структурных данных по конформации АТР-содержаших белков: сАРК, DD-лигазы и HisRS и пространственной организации соответствующих АТР-связывающих центров. Во второй части обзора дано описание пространственных укладок кофермент-связывающих доменов PLP-содержащих белков: Asp AT, TrpSp, D-AAT, AlaR и GP, и представлены данные но организации сетей водородных связей и электростатических взаимодействий между кофактором PLP и апо-ферментами.

Методы сравнения пространственных c¡pшхуD В Главе 2 диссертации описаны математические основы алгоритмов, используемых при расчетных и графических мето¡ш

сравнения пространственных структур. Компьютерная программа ОЕИПТ была разработана для сравнения белковых структур, так, чтобы было возможно сравнивать как гомологичные белки с похожей структурой, гак и локально-гомологичные белки, которые не обязательно связаны эволюционно. Программа может обнаружить несколько различных типов гомологии. Они включают полиостью гомологичные структуры, где структуры двух белков повторяют друг друга почти полностью от М-кокиа к С-кониу; сходные супервторичные структуры, когда белки в целом различны, но на отдельных участках имеют аналогичное распределение элементов вторичной структуры, таосе полностью повторяющие друг яруга; и, наконец, локально - похожие структуры, соответствующие элементы которых "разбросаны" по белку, и которые встречаются в эволюциогко не связанных белках, тем не мнеее образующих общие локальные структурные центры.

Основой про) рампы ОЕ^ГТ является генетический алгоритм, который производит каждую суперпозицию, генерируя матрицу вращений и пек юр трансляции, которые в последствии используются для перемещения двух сравниваемых структур друг на друга, Обычно, 5000 наборов вращений и трансляций произвольно инициализируются в начале н далее проходят через несколько соген генераций. В качестве дополнительных условий может фокусировать поиск вокруг "интересующего" района или кофактора, принимая во внимание только часть белковых структур вокруг этого района я (ли лимитируя перемещения одной молекулы относительно другой так, чтобы "интересующие" районы не удалялись друг от друга более, чем на заданное расстояние, не ограничивая при этом вращения.

Дм топологически различные; семейства АТР-зависимых белкоз

центов

Сравнение каталитических субъединиц сАРК и ОО-лигазы вместе с коферментами было выполнено начиная с суперпозиции Са-атомов двух эквивалентных тетрапептилой, локализованных КоЬауахШ и во (1997): Ме<120-Уа1123 я С»1и180-Ьеи183 в сАРК и ОБ-лигазе, соответственно (здесь и далее все структурные данные, относящиеся к сАРК будут напечатаны жирным шрифтом). После первоначальной суперпозиции, несколько спиралей, р-цепей и петель, содержащих по 103 Са-атома от каждой их двух структур, были пространственно совмещены друг с другом со среднеквадратичным отклонением (ЯМ5Р) равным 3,19 А (рис. 1). Интересно, что следствием такого структурного наложения двух белков явилось почти идентичное расположение двух коферментов (АМР-Р.^Р и АПР), для которых КМЬО между аденшюимш! частями оказалось равным только 0.93 Д.

ОО-Литаза и сАРК. имеют деслть общих фрагментов полипептидной цепи. Эти десть фрагментов в молекулах сАРХ и ОО-лигазы содержат все основные 0-цепи, существующие в др.ух ферментах: четыре ахташраллелшые р-иепи, 82-85 ($5-58) из одного домена и две антитраллелышх р-непи, 37 (312) и 88 (813) из другого ложна. Цепи 52-55 (85-38) образуют р~слой, окружающий кофермепт, а пени 87 (312) и ЙЗ (313) формируют петлевую структуру я визе р-шпггльха, АТР-авпыьающий иентр располагается между р-слоем и петлей (рис, 2),

Одной из наиболее отличительных харакн:р»сгих сопоставлен!«.' аминокислотных последовательностей (рис. 1),

оо-лиг.ш сАРК

ОО-лигаза сАРК

ОО-лигаза сАРК

57(155-157) 209 гум 212 а

49 ъата 52 51(43-52)

э6(141-145) 151 бтсмякууае 160 * с

54 ГСТЛТОЛТО® 63 32(55-62)

н5о7-106) 139 ьрухукгйя 14 7 а *

57 ШГШХ1Ш 75 63(67-75)

96 окькзкььяд юз

¡г

90 неких 99

НС(85-57)

(114-118) 110 руаротаьтк 119

102 ГЬУХЫГГБГК 111 е«(10£-1И>

88 1176-181) 175 ее\ялею«,5срер 188

115 ИЬтаГМКТГУРООЕК 128 85(115-120)

ню (231-248) 22ь сьелзоелньоаьуькаютиз 245

137 йггЕРНЛаГУААОПТЛТгГЬН 158 НК140-155)

512(253-260) 512(253-260), 313(266-272)

254 гт 256 257 оумх-пзосзсппплеант 273 274 яром 277

#0 50 #

155 1«И. 167 171 Щ,ЫОООаУ1аУТОРОГ 187 199 СОТР 202 67(172-174), 88(180-182)

Рис. 1, 103 структурно эквивалентных остатка в 10 фрагментах ОР-лигазы и сАРК. Локализация вторичной структуры показана сверху и снизу последовательностей. Эквивалентные остатки, образующие водородные связи и гплр фибные взаимодействия с кофакторами отмечены значками '*' и 'П', соответственно. Одна пара остатков, >'а!123 (Ьси183), участвующая одновременно и в гилро<|>обных (боковые гр>:.пы) и в полярных (.основная цепь) взаимодействиях со связанными кофакторами отмечена значком '&'. Две пары эквивалентных аминокислот, которые координируют расположение катионов Мп2+ и М^-' отмочены значком '§'. Две пары эквивалентных аминокислот, которые являются критическими для механизма реакций, катализируемых сАРК и ОР-липпой, отмечены значком

%S5

$4 Ч

î'iic. 2. Экь}.еале!пньгг фрагменты двух белков, окружающие кофермеит-связывающий центр. Пяп.обц«:х фрагае>::г>!$ PD-лигглм (спеглм -.кну.я) и сЛРК (темная лип:я) c5{/¡djw (i-vo.i из четыре* uencñ -42-35 íS5-S$i (лежащий ииж« коферммпез) и дке актькгрд.иелькы«! }>-4sn;¡ S7-S8 (S12-SH) (яел.чиие sume ко-Ьгриснтоя) R«s;C|»v»;. ят «iras«?«« «i un* il? между этими двумя c;p%wp..MX. Четыре .»едмчилситимч

аминокислот, сообикгмш-..' Kohtjashi и Go <;W7). rf?.p';c»"T--;iij н оаня napa их них, ValS23 и Leu I ЯЗ.

•'j

является наличие семи эквивалентных, расположенных последовательно один за другим вдоль полипептидной цепи, фрагментов в обоих белках. Эти семь фрагментов расположены в пределах сегментов Asn99-Pro202 и Asp96-Met277, и содержат шесть эквивалентных элементов вторичной структуры: НС (Н5), S4 (S5), S5 (S8), НЕ (НЮ), S7 (S12) и S8 (S13). По-видимому, топологию сегмента Asa90-Pro202 сАРК можно рассматривать как часть топологии сегмента Asp96-Met277 DD-лигазы.

Кроме гош, построенное структурное сопостаатенке двух аминокислотных последовательностей показало эквивалентное расположение восьми остатков, участвующих в существенных полярных взаимодействиях с коферментом (рис. ЗА) и девяти остатков, вовлеченных в гидрофобные контакты с ним (рис. ЗВ). Это касается также и а-, р- и у-фосфатов, :'ары катионов металла и двух связанных молекул воды (рис. 4), что в значительной степени способствует аналогичному характеру связывания АТР к ферментам.

Проведенная совместная детальная инспекция сети водородных связей между коферментами и аминокислотами белка (предельное расстояние < 3.5 А) в сАРК, оо-лигазе и Н&КЗ позволила обнаружить пять общих водородных связей, которые кофермент образует с окружающими аминокисло ми белка (Табл. 1).

Попарная, суперпозиция пространственных структур трех белков показала, что ь результате адениновые. рибозные и а-фосфатные части коферментов во всех трех попарных совмещениях

ю

Рис. 3. Эквивалентное (А) полярное и (В) гилрофебное окружения связанных кофакторов в ОП-лщаэе (светлая линия) и в сАРК (геммая линия).

(А)

\ ODUNI7I) OD 1(0-57)

.. '• а

OD^(D257) :

rTTÏÏ270) ^ Mn;* rND2(Hl71)

OD! >-'¿'0D2(D184) / î

&

J NH2(R:55) »

i

<éOD2íD166)

(B)

WAB07>V WAT55lV-';

0DJ(N!71>

ОЕЦЕ270)

»,\Mc2+ : / 2 Mfej?//

Tri* WA I'401

Рис. ■!. 'Зкки валентны? взаимсисйскмм м^жлу ¿ммнокислошш. OKji\A..«)iuHV,vî фцсфагиые группы хофермеыов. и (А) дьумя катионами чпагм* и i.jkäc (ß) диумн молсхулгми ьсич.

12

Таблица !. Атомы, образующие эквивалентные водородные связи в трех комплексах кофермеита с белком.

сАРК DD-лигаза HisRS

Адснин

N1 NH( Vail 23) NH(LeulS3) NH(TVrl22)

N6 OtGhil21) 0(Lysl81) 0(TyrI22)

Рибоза

02 0£2(G!ul27) OEI(GIu/87) 0(Thr2i>'l)

ОЗ 0(Ginl70) OE2(Glul87) OGl(Thr28!)

Р«-1рунпа

О NZ(Lys/2)1 NZ(Lysi44)' NH2(Arg! !3)2

'Связь с атомом 0!А. 2Связь с атомом Q2A.

имеют одну и ту ;хе ориентацию. Величины RMSD между совмещенными наборами пяти атомов белка, а также между адениновымн частями, рибозными частями, «-фосфатными частями и в целом "AMP" частями ксферментов даны в Табл. 2.

Таблица 2. Суперп инция белков и результирующее совпадение КоферМСНТГШ.

Фермент1 Аденин* Рибоэа3 Pa* "AMP"5

cAPK - DD-лигаза 1.9 1.2 1.4 1.2 1.3

cAPK - HisRS 1.8 0.6 1.0 1.0 0.8

DD-лигаза - HisRS 0.8 0.7 0.7 0.9 0.8

1 5Величины RMSI) между совмещаемыми в пространстве наборами из пяти атомов белка, адешнюными частями (10 атомов), рибозными частями (7 атомов), а-фосфатными частями (С5, 05, Ра и OA, 4 атома) и "AMP" частями коферментов (21 атом), соответственно.

н

В итоге структурный комплекс, включающий "AMP" часть кофактора, пять водородных связей и пять атомов белка, остается неизменным у этих трех ферментов (рис. 5).

Поскольку изученные белки являкнея представителями трех больших неродственных семейств ферментов с различной пространственной структурой, то консервация набора из пяти атомов, которые держат кофермент в фиксированной позиции, является классическим примером конвергентной эволюции к одному и тому же структурному мотиву, обеспечивающему коферменту комплементарностъ к белку. Учитывая различия в структуре и функции проанализированных белков можно предполагать, что аналогичный структурный мотив будет обнаружен и в некоторых других семействах АТР-зависимых ферментов.

семействах пирилоксальфосфат-зависимых Ферментов

Фосфатная группа PLP всегда связана около амино-конца "якорных" спиралей "Н5" в AspAT, "Н9" и TipSp. "Н6" в D-AAT, "Н9" »AlaR, л "u2l" в GP и ближайших кон job соответствующих р-слоеь но всех этих ферментах (рис. 6).

AspAT, TrpSp, D-AAT, AlaR и GP имеют семь общих фрагментов, содержащих или только р-цыш (I, Ш, IV, V и VI на рис 6 и 7) или только спирали (11 и VII). Шесть эквивалентных позиций содержат только гидрофобные остатки. Эти позиции располагаются в столбцах II, IV, V н VI. Три белка демонстрируют также одинаковые а-Р-а-Р супервторичные структуры соьмешенных фрагментов (H8-S8-H9-S1 в AlaR, H3-S7-H9-S8 в TrpSp и u20-S24-a2l-S25 в GP, не показано). Амино-конны

и

АгёИЗ ТгР182

* <

\ I 0(К181) $Т>(У122}

Туг122

X»

^ОЬ2(Е187)

ь

ОО1(Т281)

Рис. 5. Суперпо4МШ.ч пространственных структур пп-лшаии н Н1м<5, основанная на наборах ¡и пяти атомоа, образующих общие водородные связи (пунктирные линии), и результирующая эквивалентность а ориентации адениноио!!, рибозной и а-фосфатной частей монон)киготмл1ш коферментов в этих белках. Совмещаемые атомы белков показаны черными кружками ми Ш-лигазы и белыми дзя Н^КБ. Структурные злеменш комплекса 1)[>-лшал1 с коферментом изображены жирной линией. Конформзини 1ух144 и Тгр!82 в ОО-лигазе и АдеПЗ и Туг122 в ЧйК^ также нарисованы. Только ключевые атомы аминокислот 1.у$Ш. 1_еи183, С1и187 и Ьуя144 а шкшиос, и Тут1;2, Т?1г28! и ЛгсПЗ в МЫ*!;, участвующие в образопании водородных связей с коферментом изображены крулками.

III

Ьа КБ Б<3

АврАТ 99 ЛАКТАО 104 109 Т5А1ЛУАА1ЭР 118 185 *л,га 189

32 Н9 Э9

Тгрвр 72 ТЬУЬКР. 77 234 аЕМАЮМГАС 243 321 ПАСУ 324

( 512 Н7

V -ААТ 24 9 1УРТ1Г 244 203 СТТКЕУУТАС ' 212 221 КЕ1Р 224

Б6 Н9 Б2

А1аН 123 ькмлчз 133 204 ЗААБЬНГРОК 213 33 Н1МА 36

Б22 а21 226

ЭР 602 ТУМ ЮС 607 675 сташхпол 684 707 вт 710

IV V VI VII ■

вб Э£ эд НИ

АзрАТ 21В ЬРЬР 221 243 ЕЫУА 253 270 СТЬУА 274 283 АГБОМКАА! 291

СП Б8 Б7 210 не

тгрэр 2Б0 УСЫ 253 225 0АУ1А 225 375 371 217 ЫОАКТЕЕС 209

Э9 510 511 Н9

13 -ААТ 191 ЬУТН 194 186 хсгта 182 239 ТУТЬЕ 235 2бе ЬОКОРЕТК! 276

Б9 Б8 Б7 Н8

А1аЯ 216 ММУИ 219 199 УН САМ 203 167 ГНХТЬ 163 186 Г,ГЮТ0УЗР 178

325 Э24 С120

С? 686 АЬТ! 689 661 ВЬвЕО 665 567 ч/дусг 563 658 РХУКЕАЬБУ 650

Рис. 6. Структурно экиивапентныс остатки фрагментов из АзрАТ, Тгр5(?, П-ААТ, А1аЯ и ОР. Маркировка спиралей и Р-непей показана над последовательностями. Структурно эквивалентные позиции, содержащие гидрофобные позиции отмечены жирным шрифтом.

VII

¡'tic, 7. jlriiro'tm«- iipe.iciaii/K'Hue crpyKiypiioio комплекса, оошек» мчи AspAT. Ii]iN|t It /л.ЛI, Mali и С.Г, »месте ю см энными молекулами )Ч..Р. 'I'ii.lIMCIUU ИЧИШСШИЗИЩ ЦСЦИ, KOfOjn.il' 11МСЮ1 .Hlil'IOIU'llbir

ii[4)<:rjwHi пкпж«' рагтиожсиис C'u-агомов, отечет,1 шифрами I II, 1П

IV. V И VI AlliMU ф|кф<>|М Hl.p HUpHCOH.ttUJ tl«.|:|IIMII K|>>'AU'AMll 'leii'pt h.mu'.i к'н iiu.ix in I|K![|iipoiiux иозииш; п,и. :ij.iiii.i 01 ivtn иными Л) и itMHtJ1"'! <ll) кр;.akimii

спиралей II и карбоксильные концы р-цепей V непосредственно взаимодействуют с фосфатными группами PLP, в то время как р-цепи IV и VI взаимодействуют с пиркдоксальным кольцом (за исключением GP). Таким образом, полученные результаты могут быть еще одним примером того, что белки используют всевозможные пути для конструирования похожих пространственных комплексов, если для этого существуют важные структурные или функциональные причины.

ВЫВОДЫ

1. Разработан новый компьютерный метод GENFIT для сравнения пространственных структур негомологичных белковых макродтлекул, исяользуя только координаты six Са-атомов. Преимуществом метода GENFIT является то, что он способен находить сегменты локального структурного сходства независим» от их позиции в белках. Достоинством профаммы является также то, ч ;о порядок расположения сегментов вдоль полипептидной пени и их взаимное направление (N >С versus С—>N) не учитываете« а отличие от программ, работающих с гомологичными белками.

2. Используя программу GENFIT, показано, что у Белков Dl>-лшазы и сАРК в составе десяти структурно эквивалентных сегмопов существуют около 100 аминокислот, формирующих идентичные супсрвторичные структуры. Выявлена обширная сеть общих элек-фосташческкх и гидрофобных взаимодействий между кофактором, катионами металлов, водой и рядом аминокислот.

3. Впервые обнаружен структурный комплекс (АТР-сьязываюптий мотив), который включает "AMP" часть кофермента, пять

водородных свя!ей и пять агомов белка. Найденный мотив остается неизменным у белков сАРК., ОО-лигази н ШьКЗ. 4. Показано, что белки АрЛТ, ТфБр, О-ЛАТ, А!аК и ОР нмекгг семь структурно зкпивалентных фрагментов полниептидной пени, которые принимают участие в формировании РЬР-связыпающего центра.

S. Denessiouk, K.A., Lehtonen, J.V., Korpela, T., Johnson, M.S. Two 'unrelated' families of ATP-dependent enzymes share extensive structural similarities about their cofactor binding sites // Protein Science, ¡998, T.7, №5, p.l 136-1 (46.

2. Denessiouk, K.A., Lehtonen, J.V., Johnson, M.S. Enzyme-mononucieotide interactions: three different folds share common structural elements for ATP recognition // Protein Science, ¡992, in preis.

3. Denessiouk, K., Lehtonen, J.V., Johnson, M.S., Korpela, T. Evolutionary related protein kinases and the unrelated glutathione synthetase fold proteins shine common structural features of the cofactor binding sites // The Vil '> Annual BioCity Symposium "Siruuure and Folding" Mauno Koiviste Centre, BioCity, Turku, Finland Sep. 11-12, 1997, p.54.

4. Lehtonen, J.V., Denessiouk, K., Johnson, M.S. A generic non-linear alignment algorithm for homologous and non-homologous protein structure comparisons // The Vflth Annual BioCity Symposium "Structure and Folding" Mauno Koivisto Ceniie, BioCity, Turku, Finland Sep. 11-12, 1997, p.67.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Сокращения

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Архитектура кофермент-связывающих доменов АТР-зависимых белков

1.1.1 Циклический АМР-зависимая протеинкиназа

1.1.2 В-аланин:Б-аланин лигаза

1.1.3 Гистидил-тРНК-синтетаза

1.2 Пространственная укладка кофермент-связывающих доменов РЬР-содержащих белков

1.2.1 Аспартат аминотрансфераза

1.2.2 (З-Субъединица триптофан синтетазы

1.2.3 Б-Аминокислотная аминотрансфераза

1.2.4 Алании рацемаза

1.2.5 Гликоген фосфорилаза.

Глава 2 Методы сравнения пространственных структур.

2.1 Сравнение топологий макромолекул расчетными методами

2.1.1 Инициализация

2.1.2 Оценка эквивалентности структур

2.1.3 Генетический алгоритм

2.1.4 Финальная суперпозиция структур (алгоритм Керсли)

2.2 Графическое сравнение топологий макромолекул

Глава 3 Структурное подобие кофермент-связывающих центров трех топологически различных семейств АТР-зависисимых белков

3.1 Сравнение конформаций сАРК и ОЦ-лигазы

3.2 Эквивалентные супервторичные структуры, формирующие АТР-связывающий центр сАРК и ОО-лига-зы

3.3 Идентичность ключевых взаимодействий, определяющих положение и конформацию кофермента в структурах сАРК и Б О-лигазы

3.4 Структурная комплементарность между коферментом и белком в АТР-зависимых ферментах с различной третичной структурой

Глава 4 Архитектура кофермент-связывающего центра в неродственных семействах РЬР-зависимых белков

4.1 Сравнение третичных структур пяти РЬР-связываю-щих доменов

4.2 Роль эквивалентного структурного комплекса в формировании уникальных РЬР-связывающих центров.

Выводы

Химические свойства белковых молекул практически полностью зависят от экспонированных на их поверхности аминокислотных остатков, способных образовывать сильные (ковалентные) или слабые (водородные и электростатические) связи с другими молекулами (лигандами). Картина этих связей для каждой пары белок-лиганд различна и поэтому к белку могут прочно присоединиться лишь те лиганды, которые "в точности подходят" к его поверхности.

Центр связывания, т.е. участок белка, который взаимодействует с лигандом, обычно имеет вид углубления, сформированного на поверхности белковой молекулы определенным расположением аминокислот. Эти аминокислоты часто принадлежат удаленным друг от друга участкам полипептидной цепи и составляют лишь небольшую долю всех аминокислот белка. Остальные аминокислоты необходимы для поддержания правильной формы белковой молекулы и для создания дополнительных центров связывания, играющих регуляторную роль. Значение, например, гидрофобного ядра белка обычно ограничивается лишь тем, что оно обеспечивает нужную форму поверхности и необходимую жесткость структуры.

Одна из важнейших функций белков состоит в специфическом катализе химических реакций. Лигандом в этом случае служит молекула субстрата, связывание которой ферментом - необходимая предпосылка химической реакции. Идентификация набора молекулярных взаимодействий, ответственных за узнавание специфического субстрата, является важным этапом на пути понимания молекулярного механизма функционирования фермента. Довольно часто в основе такой идентификации лежит предположение о том, что, несмотря на различные третичные структуры, ферменты, связывающие общие лиганды, имеют похожее пространственное расположение атомов, участвующих в образовании фермент-лигадного комплекса. Эффективным методом поиска лиганд-связывающих атомов является сравнительный конформационный анализ, основанный на совмещении и последующем одновременном изучении двух и более пространственных структур.

Каталитические триады, продемонстрированные сериновыми протеазами с различными пространственными структурами, такими как химотрипсин и субтилизин, являются замечательным примером, поддерживающим эту гипотезу. В этих ферментах три аминокислоты, Asp, His и Ser, расположены аналогичным образом в пространстве для осуществления специфических функций. Эта же самая триада, включающая те же самые аминокислотные остатки, была обнаружена в липазе (Brady и сотр., 1990), и аналогичная триада, содержащая Glu вместо Asp, была найдена в ацетилхолин-эстеразе (Sussman и сотр., 1991). Та же самая ситуация наблюдалась для ß-лактамазы (Strynadka и сотр., 1992) и аспарагиновых протеиназ (Pearl и Blundell, 1984), которые являются белками с очень различными структурами и функциями. У ß-лактамазы в активном центре располагаются Glu-166 и Asp 170 и связанная молекула воды, а в аспарагиновых протеиназах - Asp215 и Asp32 и также связанная молекула воды (Pearl, 1993). Подобная идентичность в формировании активных центров убедительно свидетельствует о том, что часть механизма каталитической реакции, относящаяся к активации связанной молекулы воды, одна и та же в обоих ферментах.

В тех случаях, когда химические свойства боковых групп аминокислот не могут обеспечить решение конкретной каталитической задачи, белки прибегают к помощи специальных небелковых молекул. Такие лиганды часто служат в ферментативных реакциях коферментами (кофакторами), которые в большинстве случаев являются сложными органическими молекулами, химические свойства которых в комплексе с белком не всегда понятны в деталях. Кроме реакционноспособного центра в состав коферментов нередко входят остатки, связывающие их с соответствующими белками столь прочно, что они фактически являются его частью. В процессе эволюции каждый кофермент был отобран по определенной химической активности, которую он проявляет в комплексе с белком.

Многие коферменты не могут синтезироваться животными и должны поступать в организм с пищей (из растений и микроорганизмов). Витамины - важнейшие факторы питания, необходимые животным в следовых количествах - часто являются предшественниками требующихся коферментов.

Аденозин 1',5'-трифосфат [АТР, рис. 1], участвующий в переносе энергии между сотнями индивидуальных внутриклеточных реакций, является одним из наиболее распространенных коферментов. Концевой фосфат АТР образует ковалентную связь в процессе окисления питательных веществ; энергия, высвобождаемая при гидролизе этой фосфатной группы, может использоваться белком для осуществления биосинтетических процессов, протекающих с затратой энергии. Кроме того, поскольку концевая эфирная связь АТР легко расщепляется, то это соединение служит эффективным источником фосфата для значительного числа различных реакций фосфорилирования.

Большое количество пространственных структур комплексов ферментов с АТР или с каким-либо его аналогом было определено с помощью рентгеноструктурного анализа и ЯМР. В результате несколько классов укладок полипептидной цепи АТР-связывающих белков выявлено (Schulz, 1992), таких как: классическая мононуклеотид-связывающая укладка (Schulz и сотр., 1986), актиновая укладка (Flaherty и сотр., 1991; Hurley и сотр., 1993), укладка белков киназного семейства (Bossemeyer и сотр., 1993; Hanks и сотр., 1988), глутатион синтетазная укладка (также известная как укладка "АТР-захвата") (Artymiuk и сотр., 1996; Fan и сотр., 1995; Hibi и сотр., 1996; Murzin, 1996), укладка аминоацил-тРНК-синтетаз II класса (Eriani и сотр., 1990; Cusack и сотр., 1990; Moras, 1992), укладка аспартат-транскарбамоилазы (Stevens и сотр.,, 1990) и укладка глутамин синтетазы (Almassy и сотр., 1986). В первых двух укладках мононуклеотид-связывающие центры расположены на границе ß-слоя и имеют классический мононуклеотид-связывающий мотив - "укладка Россманна" (Rossmann.и сотр., 1975),. содержащий

Рис. 1. Структура кофермента АТР. Здесь и далее все изображения пространственных структур выполнены с помощью программы MOLSCRIPT (Kraulis, 1991). параллельный (3-слой, в то время как в пяти последних из перечисленных выше укладок такие центры расположены на поверхности антипараллельных (З-слоев. В связи с отличием структуры мононуклеотид-связывающих центров пяти последних укладок от классического мотива было высказано предположение, что их можно выделить в отдельную вторую группу, общим мононуклеотид-связываюгцим мотивом которой является антипараллельный р-слой и петля (Matsuda и сотр., 1996). В связи с этим предположением возникает естественный вопрос о том, что из себя представляет реальная геометрия структурного мотива АТР-связывающего центра второй группы, законсервированного в конформации последних пяти белков, и имеет ли смысл на самом деле группировать их АТР-связывающие центры в один класс.

Как и в случае упомянутого выше подобия в формировании центров связывания фермента с субстратами, недавно было обнаружено неожиданное структурное сходство кофермент-связывающих центров у двух эволюционно не связанных между собой семейств АТР-зависимых белков, обладающих различной топологией третичной структуры, но входящих в упомянутую выше вторую группу ферментов (Kobayashi и Go, 1997а; 1997b). Оказалось, что семейство белков, обладающих глутатион синтетазной укладкой полипептидной цепи, и семейство киназных белков имеют похожую пространственную организацию нескольких аминокислот, формирующих определенный "структурный мотив" вокруг адениновой части кофермента. Первое семейство включало D-Ala:D-Ala лигазу [DD-лигазу] (Fan и сотр., 1994; 1997), глутатион синтетазу (Yamaguchi и сотр., 1993; Matsuda и сотр., 1996), сукцинил-СоА синтетазу (Wolodko и сотр., 1994), биотин-карбоксилазную субъединицу ацетил-СоА карбоксилазы (Waldrop и сотр., 1994), пируват фосфат дикиназу (Herzberg и сотр., 1996) и карбамоил фосфат синтетазу (Thoden и сотр., 1997). Известно, что ферменты, имеющие глутатион синтетазную укладку, катализируют общую реакцию, заключающуюся в сочетании реакции превращения АТР в аденозин 1 ',5'-дифосфат [ADP] с реакцией образования углерод-азотной связи между карбоксильной и аминной группами.

Другое семейство состояло из большого числа родственных между собой киназных белков (Hanks и сотр., 1988; Bossemeyer и сотр., 1993; Hubbard и сотр., 1994; Хи и сотр., 1995). Протеинкиназы, к настоящему времени их известно около 200 (Hunter, 1987), катализируют обратимый перенос у-фосфата от АТР к белку или пептиду, и играют, таким образом, центральную роль в регуляции большинства клеточных процессов. Наиболее значительное подобие при структурном сравнении этих двух неродственных семейств было обнаружено между DD-лигазой и циклический АМР-зависимой протеинкиназой [сАРК] (Kobayashi и Go, 1997а; 1997b). сАРК является одной из наиболее интенсивно исследуемых протеинкиназ. Этот специфический фермент, в активизации которого принимает участие циклическое фосфорилированное производное аденина (универсальный внутриклеточный сигнал и регулятор скорости множества различных внутриклеточных реакций), катализирует перенос концевого фосфата с АТР на определенные остатки серина и треонина в некоторых белках клетки-мишени.

Значительная конформационная эквивалентность АТР-связывающих центров была также обнаружена у глутамин синтетазы и аспартат-транскарбамоилазы - белков, которые, как и DD-лигаза и сАРК, имеют антипараллельный (3-слой в структуре кофермент-связывающего центра (Swindells и Alexandrov, 1994). Глутамин синтетаза катализирует включение азота в процесс метаболизма с помощью реакции соединения аммония и глутамата в присутствии АТР, в результате которой получаются глутамин, ADP и неорганический фосфат ("биосинтетическая реакция") (Liaw и сотр., 1994). В свою очередь аспартат-транскарбамоилаза катализирует реакцию между карбамоил фосфатом и L-аспартатом для получения фосфата и N-карбамоил-Ь-аспартата, продукта, который является предшественником при синтезе пиримидинов (Stevens и сотр., 1990). Было показано, что эти два фермента при отсутствии гомологии в аминокислотных последовательностях тем не менее имеют похожий ßaß-ßaß мотив и при совмещении четырех ß-цепей из этого мотива мононуклеотиды ориентированы похожим образом (Swindells и Alexandrov, 1994). И наконец, было обнаружено структурное подобие между ß-цилиндрическими доменами глутаминил-тРНК-синтетазы и аминоконцевым доменом глутамин синтетазы, при совмещении которых наблюдалось некоторое соответствие в локализации нуклеотид-связывающих центров (Russell и Sternberg, 1997).

При связывании к любому из двух белков: DD-лигазе или сАРК, кофермент формирует сеть многочисленных электростатических взаимодействий и водородных связей с аминокислотами этих ферментов в пределах своего связывающего центра (Fan и сотр., 1994; 1997; Bossemeyer и сотр., 1993). Локальное подобие, сообщенное Kobayashi и Go (1997а; 1997b) для DD-лигазы и сАРК, было ограничено только тетрапептвдом (два остатка из четырех образовывали две водородные связи с адениновым кольцом кофактора в обоих белках) и еще тремя отдельно расположенными аминокислотами, окружающими адениновую часть кофактора. В связи с потенциальной возможностью существования других, топологически общих и гораздо более длинных, фрагментов полипептидных цепей, ответственных за взаимодействия с АТР в этих двух ферментах, мы решили вновь провести детальное сравнение соответствующих пространственных структур, а также включить в сравнение конформацию гистидил-тРНК-синтетазы [HisRS], которая принадлежит к аминоацил-тРНК-синтетазам II класса.

Пиридоксаль-5'-фосфат [PLP, рис. 2], содержащий, как и АТР, основание и фосфатную группу, тоже является универсальным коферментом и используется многими ферментами, которые катализируют в основном реакции, включающие аминокислоты и амины. PLP конденсируется с аминокислотами, образуя Шиффого основание, в котором пиридиновое кольцо оттягивает на себя электроны, эффективно стабилизируя отрицательный заряд. Любая из групп, окружающих хиральный атом углерода аминокислоты, может отщепиться, образуя анион, стабилизируемый шиффовым основанием и пиридиновым кольцом.

Сравнение конформаций имеющихся пространственных структур PLP-зависимых ферментов, показало, что существует пять различных укладок PLP-связывающих доменов (Alexander и сотр., 1994). Эти укладки образованы аспартат аминотрансферазой [AspAT] (McPhalen и сотр., 1992; Jäger и сотр., 1994; Smith и сотр., 1989; Okamoto и сотр., 1994), ß-субъединицей триптофан синтетазы [TrpSß] (Hyde и сотр., 1988), D-аминокислотной аминотрансферазой [D-AAT] (Sugio и сотр., 1995), аланин рацемазой [AlaR] (Shaw и сотр., 1997) и гликоген фосфорилазой [GP] (Sprang и Retterick, 1979; Barford и сотр., 1991).

Хотя конформации AspAT, TrpSß, D-AAT, AlaR и GP не похожи друг на друга, тем не менее существуют определенные структурные сходства в построении их PLP-связывающих центров. Эти центры всегда локализованы в районе между амино-концом "якорной" спирали и ближайшим краем ß-слоя во всех этих ферментах. Кроме того, было показано, что у первых из перечисленных выше четырех белков атомы N1 и 03 пиридоксального кольца кофермента как правило образуют водородные связи с аминокислотами апо-фермента. Дальнейшее детальное сравнение топологий пяти неродственных PLP-зависимых ферментов может помочь нам ответить на естественно возникающий вопрос о том, есть ли какие-нибудь другие важные структурные сходства вблизи PLP в этих различных укладках полипептидной цепи. Для ответа на этот вопрос были сравнены конформации PLP-связывающих доменов AspAT, TrpSß, D-AAT, AlaR и GP и архитектуры соответствующих активных центров.

Пользуясь случаем я хочу выразить искреннюю благодарность моему руководителю, профессору Александру Владимировичу Шишкову за всестороннюю поддержку и руководство при выполнении диссертационной работы.

Выводы

1. Разработан новый компьютерный метод GENFIT для сравнения пространственных структур негомологичных белков, используя только координаты их Са-атомов. Преимуществом метода GENFIT является то, что он способен находить сегменты локального структурного сходства независимо от их позиции в белках. Достоинством программы является также то, что порядок расположения сегментов вдоль полипептидной цепи и их взаимное направление (N-»C versus C-*N) не учитывается в отличие от программ, работающих с гомологичными белками.

2. Сравнение конформаций белков DD-лигазы и сАРК с помощью программы GENFIT показало, что у этих неродственных ферментов в составе десяти структурно эквивалентных фрагментов существуют 103 аминокислоты, формирующие идентичные супервторичные структуры, между которыми связывается кофермент АТР.

3. Выявлено, что кофактор, два катиона металлов и две связанные молекулы воды образуют обширную сеть электростатических и гидрофобных взаимодействий, общих для обоих ферментов, за счет эквивалентного расположения ряда "ключевых" аминокислот из идентичных супервторичных структур.

4. Впервые обнаружен структурный комплекс (АМР-связывающий мотив), который включает "AMP" часть кофермента, пять водородных связей и пять атомов белка. Найденный мотив остается неизменным у сАРК, DD-лигазы и HisRS.

5. Суперпозиция конформаций белков AspAT, TrpSp, D-AAT, AlaR и GP выявила семь структурно эквивалентных фрагментов полипептидной цепи в PLP-связывающих доменах этих ферментов.

6. Показано, что эти семь фрагментов формируют структурный комплекс, у которого имеется гидрофобное "мини-ядро", образованное из трех эквивалентных по всем белкам позиций, принадлежащих "якорной" спирали и ближайшей к ней р-цепи.

7. Обнаружено, что ферменты AlaR и TrpSp обладают эквивалентными а-р-а-р супервторичными структурами, а два смешанных р-слоя в D-ААТ формируют укладку, близкую к топологии "р-цилиндра", присутствующего в структуре AlaR.

1. Evolutionary relationships among pyridoxal-5'-phosphate-dependent enzymes. Eur. J. Biochem. 219, 953-960.

2. Almassy, R.J., Janson, C.A., Hamlin, R., Xuong, N.-H. and Eisenberg, D. (1986). Novel subunit-subunit interactions in the structure of glutamine synthetase. Nature 323, 304-309.

3. Antson, A.A., Demidkina, T.V., Gollnick, P., Dauter, Z., Von Tersch,

4. R.L., Long, J., Berezhnoy, S.N., Phillips, R.S., Harutyunyan, E.H. and Wilson, K.S. (1993). Three-dimensional structure of tyrosine phenol-lyase. Biochemistry 32, 4195-4206.

5. Arnez, J.G., Augustine, J.G., Moras, D. and Francklyn, C.S. (1997). The first step of aminoacylation at the atomic level in histidyl-tRNA synthetase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 7144-7149.

6. Artymiuk, P.J., Poirrette, A.R., Rice, D.W. and Willett, P. (1996). Biotin carboxylase comes into the fold. Nature Struct. Biol. 3, 128-132.

7. Barford, D., Hu, S.-H. and Johnson, L.N. (1991). Structural mechanism for glycogen phosphorylase control by phosphorylation and AMP. /. Mol Biol. 218, 233-260.

8. Bernstein, F.C., Koetzle, T.F., Williams, G.J.В., Meyer, E.J., Jr., Brice,

9. M.D., Rodgers, J.R., Kennard, O., Shimanouchi, T. and Tasumi, M. (1977). The protein data bank: a computer based archival file for macromolecular structures. J. Mol. Biol. 112, 535-542.

10. Blommers, M.J.J., Lucasius, C.B., Kateman, G. and Kaptein, R. (1992).

11. Conformational analysis of a dinucleotide photodimer with the aid of the genetic algorithm. Biopolymers 32, 45-52.

12. Bork, P., Gellerich, J., Groth, H., Hooft, R. and Martin, F. (1995).

13. Divergent evolution of a (3/a-barrel subclass: detection of numerous phosphate-binding sites by motif search. Protein Sci. 4, 268-274.

14. Branden, C. I. (1991). The TIM barrel The most frequently occurring folding motif in proteins. Curr. Opin. Struct. Biol. 1, 978-983.

15. Chothia, C. (1988). Protein structure: 14th barrel rolls out. Nature 333, 598-599.

16. Chrivia, J.C., Uhler, M.D. and McKnight, G.S. (1988). Characterization of genomic clones coding for the Ca and CJ3 subinuts of mouse cAMP-dependent protein kinase. /. Biol. Chem. 263, 5739-5744.

17. Cusack, S., Berthet-Colominas, C., Hartlein, M., Nassar, N. and1.berman, R. (1990). A second class of synthetase structure revealed by X-ray analysis of Escherichia coli seryl-tRNA synthetase at 2.5 A. Nature 347, 249-255.

18. Dandekar, T. and Argos, P. (1992). Potential of genetic algorithms inprotein folding and protein engineering simulations. Protein Engng. 5, 637-645.

19. De Bondt, H.L., Rosenblatt, J., Jancarik, J., Jones, H.D., Morgan, D.O. and Kim, S. H. (1993). Crystal structure of cyclin-dependent kinase 2. Nature 363, 595-602.

20. Diamond, R. (1988). A note on the rotational superposition problem. Acta Crystallogr. A44, 211-216.

21. Donnelly, D., Johnson, M.S., Blundell, T.L. and Saunders, J. (1989). An analysis of the periodicity of conserved residues in sequence alignments of G-protein coupled receptors. FEBS Letts. 251, 109116.

22. Eriani, G., Delarue, M., Poch, O., Gangloff, J. and Moras, D. (1990). Partition of tRNA synthetase into two classes based on mutually exclusive sets of sequence motifs. Nature 347, 203-206.

23. Fan, C., Moews, P.C., Shi, Y., Walsh, C.T. and Knox, J.R. (1995). A common fold for peptide synthetases cleaving ATP to ADP: glutathione synthetase and D-alanine: D-alanine ligase of Escherichia coll Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 1172-1176.

24. Fan, C., Moews, P.C., Walsh, C.T. and Knox, J.R. (1994). Vancomycin resistance: structure of D-alanine: D-alanine ligase at 2.3 A resolution. Science 266, 439-443.

25. Fan, C., Park, I.S., Walsh, C.T. and Knox, J.R. (1997). D-alanine: D-alanine ligase: phosphonate and phosphinate intermediates with wild type and the Y216F mutant. Biochemistry 36, 2531-2538.

26. Farber, G.K. (1993). An a/(3-barrel full of evolutionary trouble. Curr. Opin. Struct. Biol. 3, 409-412.

27. Farber, G.K. and Petsko, G.A. (1990). The evolution of a/(3 barrel enzymes. Trends Biochem. Sci. 15, 228-234.

28. Ferro, D.R. and Hermans, J. (1977). A different best rigid-body molecular fit routine. Acta Crystallogr. A33, 345-347.

29. Flaherty, K.M., McKay, D.B., Kabsch, W. and Holmes, K.C. (1991). Similarity of the three-dimensional structures of actin and the ATPase fragment of a 70-kDa heat shock cognate protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88, 5041-5045.

30. Goldberg, B.E. (1989). Genetic algorithms in search, optimization and machine learning. Addison Wesley, Reading, MA.

31. Hanks, S.K. and Quinn, A.M. (1991). Protein kinase catalytic domain sequence database: identification of conserved features of primary structure and classification of family members. Methods Enzymol. 200, 38-81.

32. Hanks, S.K., Quinn, A.M. and Hunter, T. (1988). The protein kinase family: conserved features and deduced phylogeny of the catalytic domains. Science 241, 42-52.

33. Herzberg, O., Chen, C.C., Kapadia, G., McGuire, M., Carroll, L.J., Noh, S.J. and Dunaway-Mariano, D. (1996). Swiveling-domina mechanism for enzymatic phosphotransfer between remote reaction sites. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 93, 2652-2657.

34. Hibi, T., Nishioka, T., Kato, H., Tanizawa, K., Fukui, T., Katsube, Y. and Oda, J. (1996). Structure of the multifunctional loops in the nonclassical ATP-binding fold of glutathione synthetase. Nature Struct. Biol. 3, 16-18.

35. Holland, J.H. (1992). Genetic algorithms. Sei. Am. 267, 44-50.

36. Hubbard, S.R., Wei, L., Ellis, L. and Hendrickson, W.A. (1994). Crystal structure of the tyrosine kinase domain of the human insulin receptor. Nature 372, 746-754.

37. Hunter, T. (1987). A thousand and one protein kinases. Cell 50, 823-829.

38. Hurley, S.R., Fabar, H.R., Worthylake, D., Meadow, N.D., Roseman, S., Pettigrew, D.W. and Remington, S.J. (1993). Structure of the regulatory complex of Escherichia coli IIIGlc with glycerol kinase. Science 259, 673-677.

39. Hyde, C.C., Ahmed, S.A., Padlan, E.A., Miles, E.W. and Davies, D.R. (1988). Three-dimensional structure of the tryptophan synthase cl2$2 multienzyme complex from Salmonella typhimurium. J. Biol. Chem. 263, 17857-17871.

40. Jäger, J., Moser, M., Sauder, U. and Jansonius, J.N. (1994). Crystal structures of Escherichia coli aspartate aminotransferase in two conformations. Comparison of an unliganded open and two liganded closed forms. J. Mol. Biol. 239, 285-305.

41. John, R.A. (1995). Pyridoxal phosphate-dependent enzymes. Biochim. Biophys. Acta 1248, 81-96.

42. Johnson, M.S. (1991). Comparisons of protein structures. Curr. Opin. Struct. Biol. 1, 334-344.

43. Johnson, M. S., Sali, A. and Blundell, T. L. (1990a). Phylogeneticrelationships from three-dimensional structures of proteins. Meth. Enzym. 183, 670-690.

44. Johnson, M.S., Sutcliffe, M.J. and Blundell, T.L. (1990b). Molecularanatomy: phylogenetic relationships derived from three-dimensional structures of proteins. J. Mol. Evol. 30, 43-59.

45. Kearsley, S.K. (1989). On the orthogonal transformation used for structural comparisons. Acta Crystallogr. A45, 208-210.

46. Kenknight, C.E. (1984). Comparison of methods of matching protein structures. Acta Crystallogr. A40, 708-712.

47. Kobayashi, N. and Go, N. (1997a). ATP binding proteins with different folds share a common ATP-binding structural motif. Nat. Struct. Biol. 4, 6-7.

48. Kobayashi, N. and Go, N. (1997b). A method for similar protein local structures at ligand-binding sites and its application to adenine recognition. Eur. Biophys. J. 26, 135-144.

49. Manly, B.F.J. (1994). Multivariate Statistical Methods, pp. 159. Chapman and Hall, London.

50. Matsuda, K., Mizuguchi, K., Nishioka, T., Kato, H., Go, N. and Oda, J. (1996). Crystal structure of glutathione synthetase at optimal pH: domain architecture and structural similarity with other proteins. Protein Engng. 9, 1083-1092.

51. May, A.C.W. and Johnson, M.S. (1994). Protein structure comparisons using a combination of a genetic algorithm, dynamic programming and least-squares minimization. Protein Engng. 7, 475-485.

52. May, A.C.W. and Johnson, M.S. (1995). Improved genetic algorithm-based protein structure comparisons: pairwise and multiple superpositions. Protein Engng. 9, 873-882.

53. McLachlan, A.D. (1972). Mathematical procedure for superimposing atomic coordinates of proteins. Acta Crystallogr. A28, 656-657.

54. McLachlan, A.D. (1979). Gene duplication in the structural evolution of chymotrypsin. /. Mol Biol. 128, 49-79.

55. McLachlan, A.D. (1982). Rapid comparison of protein structures. Acta Crystallogr. A38, 871-873.

56. McPhalen, C.A., Vincent, M.G. and Jansonius, J.N. (1992). X-raystructure refinement and comparison of three forms of mitochondrial aspartate aminotransferase. /. Mol. Biol. 225, 495-517.

57. Mehta, P.K., Hale, T.I. and Christen, P. (1993). Aminotransferases:demonstration of homology and division into evolutionary subgroups. Eur. J. Biochem. 214, 549-561.

58. Momany, C., Ghosh, R. and Hackert, M.L. (1995). Structural motifs for pyridoxal-5'-phosphate binding in decarboxylases: An analysis based on the crystal structure of the Lactobacillus 30a ornithine decarboxylase. Protein Sci. 4, 849-854.

59. Moras, D. (1992). Structural and functional relationships betweenaminoacyl-tRNA synthetase. Trends Biochem. Sci. 17, 159-164.

60. Murzin, A.G. (1996). Structural classification of proteins: new superfamilies. Curr. Opin. Struct. Biol. 6, 386-394.

61. Needleman, S.B. and Wunsch, C.D. (1970). A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. J. Mol. Biol. 48, 443-453.

62. Nyburg, S.C. (1974). Uses of a best molecular fit routine. Acta Cryst. B30, 251-253.

63. Oikonomakos, N.G., Johnson, L.N., Acharya, K.R., Stuart, D.I., Barford, D., Hajdu, J., Varvill, K.M., Melpidou, A.E., Papageorgiou, T.,

64. Graves, D.J. and Palm, D. (1987). Pyridoxal phosphate site in glycogen phosphorylase b: structure in native enzyme and in three derivatives with modified cofactors. Biochemistry 26, 8381-8389.

65. Okamoto, A., Higuchi, T., Hirotsu, K., Kuramitsu, S. and Kagamiyama, H. (1994). X-ray crystallographic study of pyridoxal 5'-phosphate-type aspartate aminotransferases from Escherichia coli in open and closed form. /. Biochem. 116, 95-107.

66. Payne, A.W.R. and Glen, R.C. (1993). Molecular recognition using a binary genetic search algorithm. J. Mol. Graphics 11, 74-91.

67. Pearl, L. (1993). Similarity of active-site structures. Nature 362, 24.

68. Pearl, L. and Blundell, T. (1984). The active site of aspartic proteinases. FEBS Letters 174, 96-101.

69. Remington, S.J. and Matthews, B.W. (1980). A systematic approach to the comparison of protein structures. /. Mol. Biol. 140, 77-99.

70. Rodionov, M.A. and Johnson, M.S. (1997). Conservation of residueresidue contacts in proteins and identification of common protein folds. /. Mol. Biol, (submitted).

71. Rossmann, M.G., Liljas, A, Branden, C.-I. and Banaszak, LJ. (1975).

72. Evolutionary and structural relationships among dehydrogenases. In The Enzymes (Boyer, P.D., ed.) 3rd edn., vol. 11, pp. 62-102, Academic Press, New York.

73. Rossmann, M.G., Moras, D. and Olsen, K.W. (1974). Chemical andbiological evolution of a nucleotide-binding protein. Nature (London) 250, 194-199.

74. Russell, R.B. and Sternberg, M.J.E. (1997). Two new examples of protein structural similarities within the structure-function twilight zone. Protein Engng. 4, 333-338.

75. Schulz, G.E. (1992). Binding of nucleotides by proteins. Curr. Opin. Struct. Biol. 2, 61-67.

76. Schulz, G.E., Schiltz, E., Tomasselli, A.G., Frank, R., Brune, M.,

77. Wittinghofer, A. and Schirmer, R.H. (1986). Structural relationships in the adenylate kinase family. Eur. J. Biochem. 161, 127-132.

78. Shaltiel, S., Hedrick, J.L., Pocker, A. and Fischer, E.H. (1969).

79. Reconstituon of apophosphorylase with pyridoxal 5'-phosphate analogs. Biochemistry 8, 5189-5196.

80. Shaw, J.P., Petsko, G.A. and Ringe, D. (1997). Determination of thestructure of alanine racemase from Bacillus stearothermophilus at 1.9 A resolution. Biochemistry 36, 1329-1342.

81. Smith, D.L., Almo, S.C., Toney, M.D. and Ringe, D. (1989). 2.8-A-Resolution crystal structure of an active-site mutant of aspartate aminotransferase from Escherichia coli. Biochemistry 28, 81618167.

82. Sprang, S.R. and Fletterick, R. J. (1979). The structure of glycogenphosphorylase a at 2.5 A resolution. J. Mol. Biol. 131, 523-551.

83. Strynadka, N.C., Adachi, H., Jensen, S.E., Johns, K., Sielecki, A., Betzel, C., Sutoh, K. and James, M.N. (1992). Molecular structure of the acyl-enzyme intermediate in ^-lactam hydrolysis at 1.7 A resolutions. Nature 359, 700-705.

84. Sugio, S., Petsko, G.A., Manning, J.M., Soda, K. and Ringe, D. (1995). Crystal structure of a D-amino acid aminotransferase: how the protein controls stereoselectivity. Biochemistry 34, 9661-9669.

85. Sun, S. (1993). Reduced representation model of problem structureprediction: statistical potential and genetic algorithms. Protein Sci. 2 762-785.

86. Sussman, J.L., Harel, M., Frolow, F., Oefner, C., Goldman, A., Toker, L. and Silman, I. (1991). Atomic structure of acetylcholinesterase from Torpedo californica: a prototypic acetylcholine-binding protein. Science 253, 872-879.

87. Swindells, M.G. and Alexandrov, N.N. (1994). Nucleotide binding in (kxp-(3ap topologies. Nature Struct. Biol. 1, 677-678.

88. Thoden, J.B., Holden, H.M., Wesenberg, G., Raushel, F.M. and Rayment, I. (1997). Structure of carbamoyl phosphate synthetase: a journey of 96 A from substrate to product. Biochemistry 36, 6305-6316.

89. Toney, M.D., Hohenester, E., Cowan, S.W. and Jansonius, J.N. (1993). Dialkylglycine decarboxylase structure: bifunctional active site and alkali metal sites. Science 261, 756-759.

90. Toney, M.D., Hohenester, E., Keller, J.W. and Jansonius, J.N. (1995).

91. Structural and mechanistic analysis of two refined crystal structures of the pyridoxal phosphate-dependent enzyme dialkylglycine decarboxylase. J. Mol. Biol. 245, 151-179.

92. Tuffery, P., Etchebest, C., Hazout, S. and Lavery, R. (1991). A new approach to the rapid determination of protein side chain conformations. J. Biomol. Struct. Dynam. 8, 1267-1289.

93. Unger, R. and Moult, J. (1993). Genetic algorithms for protein folding simulations. J. Mol. Biol. 231, 75-81.

94. Waldrop, G.L., Rayment, I. and Holden, H.M. (1994). Three-dimensional structure of the biotin carboxylase subunit of acetyl-Co A carboxylase. Biochemistry 33, 10249-10256.

95. Wilmanns, M., Hyde, C.C., Davies, D.R., Kirschner, K. and Jansonius, J.N. (1991). Structural conservation in parallel (3/a-barrel enzymes that catalyze three sequential reactions in the pathway of tryptophan biosynthesis. Biochemistry 30, 9161-9169.

96. Wolodko, W.T., Fraser, M.E., James, M.N.G. and Bridger, W.A. (1994). The crystal structure of succinyl-CoA synthetase from Escherichia coli at 2.5-A resolution. /. Biol. Chem. 269, 10883-10890.

97. Xu, R.-M., Carmel, G., Sweet, R.M., Kuret, J. and Cheng, X. (1995). Crystal structure of casein kinase-1, a phosphate-directed protein kinase. EMBO J. 14, 1015-1023.

98. Yamaguchi, H., Kato, H., Hata, Y., Nishioka, T., Kimura, A., Oda, J. and Katsube, Y. (1993). Three-dimensional structure of the glutathione synthetase from Escherichia coli at 2.0 A resolution. /. Mol. Biol. 229, 1083-1100.

99. Zheng, J., Knighton, D.R., ten Eyck, L.F., Karlsson, R., Xuong, N.,

100. Taylor, S.S. and Sowadski, J. M. (1993a). Crystal structure of the catalytic subunit of cAMP-dependent protein kinase complexed with MgATP and peptide inhibitor. Biochemistry 32, 2154-2161.

101. Zheng, J., Knighton, D.R., Xuong, N., Taylor, S.S., Sowadski, J.M. and ten Eyck, L.F. (1993b). Crystal structures of the myristylated catalytic subunit of cAMP-dependent protein kinase reveal open and closed conformations. Protein Sci. 2, 1559-1573.

102. Zuker, M. and Somorjai, R.L. (1989). The alignment of protein structures in three dimensions. Bull. Math. Biol. 51, 55-78.