Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad Mauro Tonellato
O-GlcNAc Trasferasi

Molecola del Mese di Settembre 2011 di David Goodsell
Parole chiave: modifica delle proteine, regolazione, rilevazione del glucosio, diabete


Introduzione
Le cellule hanno molti metodi per controllare le proteine, e assicurarsi che svolgano il loro lavoro quando e dove è necessario. Alcuni metodi sono brutalmente irreversibili, come la continua demolizione delle proteine obsolete nel sistema ubiquitina-proteasoma (MdM 12/2004). Altri, come la modulazione della funzione enzimatica con movimenti allosterici, sono molto più sottili e si adattano istante per istante alle necessità della cellula. Spesso vengono aggiunti dei gruppi chimici agli amminoacidi di una proteina per modularne la funzione. I gruppi fosfato sono quelli più noti, vengono usati per accendere o spegnere le proteine di segnalazione e sono gestiti da un gran numero di chinasi e fosfatasi che aggiungono o rimuovono questi gruppi fosfato regolatori.

Aggiungi un po' di zucchero
Anche uno zucchero, N-acetilglucosammina (GlcNAc), è molto usato per regolare la funzione proteica. Viene aggiunto all'ossigeno alcolico di amminoacidi come serina e treonina, spesso negli stessi punti dove vengono aggiunti i gruppi fosfato. A differenza di quelli, però i gruppi GlcNAc vengono aggiunti a centinaia di proteine diverse da un solo enzima, O-GlcNAc trasferasi, mostrata qui a destra combinando insieme i file PDB 3pe4 e 1w3b.

Rilevazione di Nutrienti
L'enzima trasferisce lo zucchero prendendolo da una molecola carrier, UDP-GlcNAc (UDP, Uridina di fosfato).
La N-acetilglucosammina (GlcNAc) è una forma modificata di glucosio, e i livelli del carrier UDP-GlcNAc sono proporzionali ai livelli di glucosio disponibile per la cellula, infatti dal 2 al 5% di tutto il glucosio è usato per sintetizzare UDP-GlcNAc. Sfruttando questa correlazione, GlcNAc trasferasi agisce come un sensore di glucosio, modificando le proteine aggiungendovi GlcNAc quando i livelli di glucosio sono alti e quindi attivando processi come la segnalazione insulino-simile e la trascrizione di geni coinvolti nel metabolismo del glucosio.

Trasferimento di Zucchero

L'enzima GlcNAc trasferasi è composto di molte parti funzionali che lavorano insieme per realizzare la loro azione. Una lunga sezione a forma di cavatappi, mostrata in basso nella figura qui sopra, riconosce la proteina che deve essere modificata, forse con l'aiuto di alcune proteine accessorie. Il dominio catalitico, mostrato in alto, allinea UDP-GlcNAc con un amminoacido serina sulla proteina bersaglio e poi trasferisce lo zucchero alla serina. La struttura PDB 3pe4 (qui sopra) contiene, oltre all'enzima, anche un piccolo peptide (verde) che è un tratto della proteina che deve essere modificata e inoltre contiene UDP (marrone, quasi completamente nascosto dietro il peptide).

Rimozione di Zucchero

Naturalmente, per controllare l'azione dell'enzima O-GlcNAc trasferasi, è indispensabile che esista un altro enzima capace di rimuovere gli zuccheri e ristabilire la funzione della proteina nativa. Questo enzima è O-GlcNAc-asi e toglie gli zuccheri dalle catene proteiche modificate. Qui a destra è mostrato l'enzima O-GlcNAc-asi batterico, tratto dal file PDB 2cbj, che è simile a quello umano che realizza la stessa funzione nelle nostre cellule.






















Esploriamo la Struttura
La struttura completa dell'enzima O-GlcNAc trasferasi non è stata ottenuta direttamente, ma è stata ricostruita combinando insieme tre diverse strutture, questo ci ha consentito di esaminare nei dettagli come viene realizzata la reazione.
La prima struttura viene dal file PDB 3pe4 che contiene il dominio catalitico e parte del dominio di riconoscimento della proteina.
La seconda struttura viene dal file PDB 1w3b che contiene la maggior parte del dominio di riconoscimento della proteina.
Per fortuna, c'è una piccola zona in comune tra le due strutture che permette di sovrapporle con precisione per simulare la proteina intera.
Il file PDB 3pe4 contiene anche un peptide e UDP legati nel sito attivo.
Infine, la terza struttura viene dal file PDB 2jlb e ci è servita per vedere come è disposto lo zucchero legato all'UDP-GlcNAc, si tratta della struttura di un enzima batterico molto simile a quello umano.
Nelle tre immagini qui sotto si possono seguire le tappe di questa ricostruzione.







Qui a destra si vedono le prime due strutture assemblate (3pe4 e 1w3b). Si nota il peptide (verde) con l'amminoacido serina evidenziato in giallo. La molecola di carrier UDP (rosa) non ha lo zucchero legato.




In questa immagine si vede la terza struttura, si tratta dell'enzima batterico 2jlb. Si vede il carrier UDP (rosa) legato allo zucchero N-acetilglucosammina GlcNAc (rosso)




Questa, infine, è la struttura composita risultante.
Lo zucchero GlcNAc (rosso) è stato aggiunto con il computer nella stessa posizione che occupa nell'enzima batterico.


Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1. Sono disponibili le strutture di molti altri enzimi batterici simili alla GlcNAc-asi, per esempio nel file PDB 2chn. Provate a sovrapporre tra loro queste strutture per cercare delle porzioni simili usando l'opzione "Compare Structures" nel sito PDB.
2. I due enzimi O-GlcNAc trasferasi e GlcNAc-asi sono stati usati come bersagli nello sviluppo di nuovi farmaci a causa del loro ruolo nel diabete. Negli archivi PDB ci sono molte strutture di questi enzimi legati a inibitori, provate a cercarle e ad esaminare come l'inibitore si lega all'enzima.

Bibliografia

1.
G. W Hart, M. P. Housley and C. Slawson (2007) Cycling of O-linked beta-N-acetylglucosamine on nucleocytoplasmic proteins. Nature 446, 1017-1022.

2.
L. M. Gay, X. Zheng and D. M. F. van Allen (2011) O-GlcNAc transfer: size matters. Nature Chemical Biology 7, 134-135.


Strutture PDB Collegate
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