Enzymes with radical tendencies: the PFL family

The first glycyl radical in an enzyme was described 20 years ago and since then the family of glycyl radical enzymes (GREs) has expanded to include enzymes catalysing five chemically distinct reactions. The type enzymes of the family, anaerobic ribonucleotide reductase (RNRIII) and pyruvate formate lyase (PFL) had been studied long before it was known that they are GREs. Spectroscopic measurements on the radical and an observation that exposure to oxygen irreversibly inactivates the enzymes by cleavage of the protein proved that the radical is located on a particular glycine residue, close to the C-terminus of the protein. Both anaerobic RNRIII and PFL, are important for many anaerobic and facultative anaerobic bacteria as RNRIII is responsible for the synthesis of DNA precursors and PFL catalyses a key metabolic reaction in glycolysis. The crystal structures of both were solved in 1999 and they revealed that, although the enzymes do not share significant sequence identity, they share a similar structure - the radical site and residues necessary for catalysis are buried inside a ten stranded $\ualpha $/$\ubeta $-barrel. GREs are synthesised in an inactive form and are post-translationally activated by an activating enzyme which uses S-adenosyl methionine and an iron-sulphur cluster to generate the radical. One of the goals of this thesis work was to crystallise the activating enzyme of PFL. This task is challenging as, like GREs, the activating component is inactivated by oxygen. The experiments were therefore carried out in an oxygen free atmosphere. This is the first report of a crystalline GRE activating enzyme. Recently several new GREs have been characterised, all sharing sequence similarity to PFL but not to RNRIII. Also, the genome sequencing projects have identified many PFL-like GREs of unknown function, usually annotated as PFLs. In the present thesis I describe the grouping of these PFL family enzymes based on the sequence similarity and analyse the conservation patterns when compared to the structure of E. coli PFL. Based on this information an activation route is proposed. I also report a crystal structure of one of the PFL-like enzymes with unknown function, PFL2 from Archaeoglobus fulgidus. As A. fulgidus is a hyperthermophilic organism, possible mechanisms stabilising the structure are discussed. The organisation of an active site of PFL2 suggests that the enzyme may be a dehydratase. Keywords: glycyl radical, enzyme, pyruvate formate lyase, x-ray crystallography, bioinformatics

Radical SAM, a novel protein superfamily linking unresolved steps in familiar biosynthetic pathways with radical mechanisms: functional characterization using new analysis and information visualization methods

A novel protein superfamily with over 600 members was discovered by iterative profile searches and analyzed with powerful bioinformatics and information visualization methods. Evidence exists that these proteins generate a radical species by reductive cleavage of S-adenosylmethionine (SAM) through an unusual Fe-S center. The superfamily (named here Radical SAM) provides evidence that radical-based catalysis is important in a number of previously well- studied but unresolved biochemical pathways and reflects an ancient conserved mechanistic approach to difficult chemistries. Radical SAM proteins catalyze diverse reactions, including unusual methylations, isomerization, sulfur insertion, ring formation, anaerobic oxidation and protein radical formation. They function in DNA precursor, vitamin, cofactor, antibiotic and herbicide biosynthesis and in biodegradation pathways. One eukaryotic member is interferon-inducible and is considered a candidate drug target for osteoporosis; another is observed to bind the neuronal Cdk5 activator protein. Five defining members not previously recognized as homologs are lysine 2,3-aminomutase, biotin synthase, lipoic acid synthase and the activating enzymes for pyruvate formate-lyase and anaerobic ribonucleotide reductase. Two functional predictions for unknown proteins are made based on integrating other data types such as motif, domain, operon and biochemical pathway into an organized view of similarity relationships.

Aerobic cultivation of Streptococcus zooepidemicus and the role of NADH oxidase

A metabolic flux model was developed for Streptococcus zooepidemicus to compare the metabolism of glucose and maltose during aerobic batch cultivation. Lactic acid was the main product of glucose metabolism whereas acetic acid was the main product of maltose metabolism. This difference was chiefly attributed to the two-fold higher flux through NADH oxidase in maltose-grown cells that enabled the ATP generation rate to remain high despite a slower maltose consumption rate. The two-fold higher flux was matched by a two-fold increase in NADH oxidase activity, 2.53 +/- 0.1 mumol NADH min(-1) mg(-1) protein on maltose versus 1.07 +/- 0.04 Rmol NADH min(-1) mg(-1) protein on glucose, indicating that NADH oxidase activity is regulated by the energy status of the cell. Surprisingly, the energy status of the cell had little impact on hyaluronic acid (HA) yield and molecular weight. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Effets de mutations dans le gène ldhA et dans la protéine FhlA ainsi que de la limitation en glucose ou en soufre sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Effets de mutations dans le gène ldhA et dans la protéine FhlA ainsi que de la limitation en glucose ou en soufre sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cloning, expression, purification and preliminary X-ray crystallographic studies of 2-methylisocitrate lyase from Salmonella typhimurium. Acta Crystallogr

In Salmonella typhimurium, propionate is oxidized to pyruvate via the 2-methylcitric acid cycle. The last step of this cycle, the cleavage of 2-methylisocitrate to succinate and pyruvate, is catalysed by 2-methylisocitrate lyase (EC 4.1.3.30). Methylisocitrate lyase (molecular weight 32 kDa) with a C-terminal polyhistidine affinity tag has been cloned and overexpressed in Escherichia coli and purified and crystallized under different conditions using the hanging-drop vapour-diffusion technique. Crystals belong to the orthogonal space group P2(1)2(1)2(1), with unit-cell parameters a = 63.600, b = 100.670, c = 204.745 Angstrom. A complete data set to 2.5 Angstrom resolution has been collected using an image-plate detector system mounted on a rotating-anode X-ray generator.

Crystal Structure of Escherichia coli Diaminopropionate Ammonia-lyase Reveals Mechanism of Enzyme Activation and Catalysis

Pyridoxal 5'-phosphate (PLP)-dependent enzymes utilize the unique chemistry of a pyridine ring to carry out diverse reactions involving amino acids. Diaminopropionate (DAP) ammonia-lyase (DAPAL) is a prokaryotic PLP-dependent enzyme that catalyzes the degradation of D-and L-forms of DAP to pyruvate and ammonia. Here, we report the first crystal structure of DAPAL from Escherichia coli (EcDAPAL) in tetragonal and monoclinic forms at 2.0 and 2.2 angstrom resolutions, respectively. Structures of EcDAPAL soaked with substrates were also determined. EcDAPAL has a typical fold type II PLP-dependent enzyme topology consisting of a large and a small domain with the active site at the interface of the two domains. The enzyme is a homodimer with a unique biological interface not observed earlier. Structure of the enzyme in the tetragonal form had PLP bound at the active site, whereas the monoclinic structure was in the apo-form. Analysis of the apo and holo structures revealed that the region around the active site undergoes transition from a disordered to ordered state and assumes a conformation suitable for catalysis only upon PLP binding. A novel disulfide was found to occur near a channel that is likely to regulate entry of ligands to the active site. EcDAPAL soaked with DL-DAP revealed density at the active site appropriate for the reaction intermediate aminoacrylate, which is consistent with the observation that EcDAPAL has low activity under crystallization conditions. Based on the analysis of the structure and results of site-directed mutagenesis, a two-base mechanism of catalysis involving Asp(120) and Lys(77) is suggested.

Functional Analysis of the Genes Encoding Diaminopropionate Ammonia Lyase in Escherichia coli and Salmonella enterica Serovar Typhimurium

Diaminopropionate ammonia lyase (DAPAL) is a pyridoxal-5'phosphate (PLP)-dependent enzyme that catalyzes the conversion of diaminopropionate (DAP) to pyruvate and ammonia and plays an important role in cell metabolism. We have investigated the role of the ygeX gene of Escherichia coli K-12 and its ortholog, STM1002, in Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2, presumed to encode DAPAL, in the growth kinetics of the bacteria. While Salmonella Typhimurium LT2 could grow on DL-DAP as a sole carbon source, the wild-type E. coli K-12 strain exhibited only marginal growth on DL-DAP, suggesting that DAPAL is functional in S. Typhimurium. The expression of ygeX in E. coli was low as detected by reverse transcriptase PCR (RT-PCR), consistent with the poor growth of E. coli on DL-DAP. Strains of S. Typhimurium and E. coli with STM1002 and ygeX, respectively, deleted showed loss of growth on DL-DAP, confirming that STM1002 (ygeX) is the locus encoding DAPAL. Interestingly, the presence of DL-DAP caused a growth inhibition of the wild-type E. coli strain as well as the knockout strains of S. Typhimurium and E. coli in minimal glucose/glycerol medium. Inhibition by DL-DAP was rescued by transforming the strains with plasmids containing the STM1002 (ygeX) gene encoding DAPAL or supplementing the medium with Casamino Acids. Growth restoration studies using media lacking specific amino acid supplements suggested that growth inhibition by DL-DAP in the absence of DAPAL is associated with auxotrophy related to the inhibition of the enzymes involved in the biosynthetic pathways of pyruvate and aspartate and the amino acids derived from them.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Physiopathologie des maladies métaboliques héréditaires des acyls-Coenzyme A révélée par l’étude d’un modèle animal déficient en 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-Coenzyme A lyase

La plupart des conditions détectées par le dépistage néonatal sont reliées à l'une des enzymes qui dégradent les acyls-CoA mitochondriaux. Le rôle physiopathologique des acyls-CoA dans ces maladies est peu connue, en partie parce que les esters liés au CoA sont intracellulaires et les échantillons tissulaires de patients humains ne sont généralement pas disponibles. Nous avons créé une modèle animal murin de l'une de ces maladies, la déficience en 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (HL), dans le foie (souris HLLKO). HL est la dernière enzyme de la cétogenèse et de la dégradation de la leucine. Une déficience chronique en HL et les crises métaboliques aigües, produisent chacune un portrait anormal et distinct d'acyls-CoA hépatiques. Ces profils ne sont pas prévisibles à partir des niveaux d'acides organiques urinaires et d'acylcarnitines plasmatiques. La cétogenèse est indétectable dans les hépatocytes HLLKO. Dans les mitochondries HLLKO isolées, le dégagement de 14CO2 à partir du [2-14C]pyruvate a diminué en présence de 2-ketoisocaproate (KIC), un métabolite de la leucine. Au test de tolérance au pyruvate, une mesure de la gluconéogenèse, les souris HLLKO ne présentent pas la réponse hyperglycémique normale. L'hyperammoniémie et l'hypoglycémie, des signes classiques de plusieurs erreurs innées du métabolisme (EIM) des acyls-CoA, surviennent de façon spontanée chez des souris HLLKO et sont inductibles par l'administration de KIC. Une charge en KIC augmente le niveau d'acyls-CoA reliés à la leucine et diminue le niveau d'acétyl-CoA. Les mitochondries des hépatocytes des souris HLLKO traitées avec KIC présentent un gonflement marqué. L'hyperammoniémie des souris HLLKO répond au traitement par l'acide N-carbamyl-L-glutamique. Ce composé permet de contourner une enzyme acétyl-CoA-dépendante essentielle pour l’uréogenèse, le N-acétylglutamate synthase. Ceci démontre un mécanisme d’hyperammoniémie lié aux acyls-CoA. Dans une deuxième EIM des acyls-CoA, la souris SCADD, déficiente en déshydrogénase des acyls-CoA à chaînes courtes. Le profil des acyls-CoA hépatiques montre un niveau élevé du butyryl-CoA particulièrement après un jeûne et après une charge en triglycérides à chaîne moyenne précurseurs du butyryl-CoA.

Substrate specificity of human glutamine transaminase K as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase

Rat kidney glutamine transaminase K (GTK) exhibits broad specificity both as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase. The beta-lyase reaction products are pyruvate, ammonium and a sulfhydryl-containing fragment. We show here that recombinant human GTK (rhGTK) also exhibits broad specificity both as an aminotransferase and as a cysteine S-conjugate beta-lyase. S-(1,1,2,2-Tetrafluoroethyl)-L-CySteine is an excellent aminotransferase and beta-lyase substrate of rhGTK. Moderate aminotransferase and beta-lyase activities occur with the chemopreventive agent Se-methyl-L-selenocysteine. L-3-(2-Naphthyl)alanine, L-3-(1-naphthyl)alanine, 5-S-L-cysteinyldopamine and 5-S-L-cysteinyl-L-DOPA are measurable aminotransferase substrates, indicating that the active site can accommodate large aromatic amino acids. The alpha-keto acids generated by transamination/L-amino acid oxidase activity of the two catechol cysteine S-conjugates are unstable. A slow rhGTK-catalyzed beta-elimination reaction, as measured by pyruvate formation, was demonstrated with 5-S-L-CysteinyIdopamine, but not with 5-S-L-CySteinyl-L-DOPA. The importance of transamination, oxidation and beta-elimination reactions involving 5-S-L-cysteinyldopamine, 5-S-L-cysteinyt-L-DOPA and Se-methyl-L-selenocysteirte in human tissues and their biological relevance are discussed. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Infrared study of methyl formate and formaldehyde adsorption on reduced and oxidised silica-supported copper catalysts

Infrared spectra are reported of methyl formate and formaldehyde adsorbed at 300 K on silica, Cu/SiO2 reduced in hydrogen and Cu/SiO2 which had been oxidised by exposure to nitrous oxide after reduction. Silanol groups on silica form hydrogen bonds with carbonyl groups in weakly adsorbed methyl formate molecules. Methyl formate ligates via its carbonyl groups to Cu atoms in the surface of reduced copper. A low residual concentration of surface oxygen on copper promoted the slow reaction of ligated methyl formate to give a bridging formate species on copper and adsorbed methoxy groups. Methyl formate did not ligate to an oxidised copper surface but was rapidly chemisorbed to give unidentate formate and methoxy species. Formaldehyde slowly polymerises on silica to form trioxane and other oxymethylene species. The reaction is faster over Cu/SiO2 which, in the reduced state, also catalyses the formation of bridging formate anions adsorbed on copper. The reaction between formaldehyde and oxidised Cu/SiO2 leads to both unidentate and bidentate formate and adsorbed water.

Evidence for the adsorption of molecules at special sites located at copper/zinc oxide interfaces. Part 3. -- Fourier-transform infrared study of methyl formate adsorption on reduced and oxidised Cu/ZnO/SiO2 catalysts

FTIR spectra are reported of methyl formate adsorbed at 295 K on ZnO/SiO2, reduced Cu/ZnO/SiO2 and on Cu/ZnO/SiO2 which had been preoxidised by exposure to nitrous oxide. Methyl formate on ZnO/SiO2 gave adsorbed zinc formate species and strongly physisorbed molecular methanol on silica. The comparable reaction of methyl formate with reduced Cu/ZnO/SiO2 catalyst produced bridging formate species on copper and a diminished quantity of zinc formate relative to that formed on ZnO/SiO2 catalyst. This effect is explained in terms of site blockage on the ZnO surface by small copper clusters. Addition of methyl formate to a reoxidised Cu/ZnO/SiO2 catalyst produced a considerably greater amount of formate species on zinc oxide and methoxy groups on copper were detected. The increase in concentration of zinc formate species was rationalised in terms of rearrangement of unidentate copper formate species to become bonded to copper and zinc oxide sites located at the interface between these two components.