Slow Protein Dynamics Elicits New Enzymatic Functions by Means of Epistatic Interactions

ROSSI, MARIA-AGUSTINA; PALZKILL, TIMOTHY; ALMEIDA, FABIO C L; VILA, ALEJANDRO J

MOLECULAR BIOLOGY AND EVOLUTION

OXFORD UNIV PRESS

Año: 2022 vol. 39

0737-4038

La evolución de las proteínas depende de la adaptación de estas moléculas a diferentes desafíos funcionales. Esto ocurre al ajustar sus rasgos bioquímicos, biofísicos y estructurales a través de la acumulación de mutaciones. Si bien el papel de la dinámica de las proteínas en la bioquímica está bien reconocido, existen ejemplos limitados que proporcionan evidencia experimental de la optimización de la dinámica de las proteínas durante la evolución. Aquí informamos un estudio de RMN de cuatro variantes de las β-lactamasas CTX-M, en el que la interacción de dos mutaciones fuera del sitio activo mejora la actividad contra un sustrato de cefalosporina, la ceftazidima. Las estructuras cristalinas de estas enzimas no explican esta mejora de la actividad. Al usar NMR, aquí mostramos que la combinación de estas dos mutaciones aumenta la dinámica de la columna vertebral en una escala de tiempo lenta y la exposición al solvente de una hoja β enterrada. Las dos mutaciones ubicadas en esta hoja β desencadenan cambios conformacionales en bucles ubicados en el lado opuesto del sitio activo. Postulamos que la variante más activa explora conformaciones alternativas que permiten la unión del sustrato ceftazidima más desafiante. El impacto de las mutaciones en la dinámica es dependiente del contexto, en consonancia con el efecto epistático observado en la actividad catalítica de las distintas variantes. Estos resultados revelan la existencia de una red dinámica en las β-lactamasas CTX-M que se ha explotado en la evolución para proporcionar una ganancia de función neta, lo que destaca el papel de las conformaciones alternativas en la evolución de las proteínas.