Structural basis of the allosteric activation of human cystathionine beta synthase by s-adenosylmethionine

Resumen

La enzima cistationina ß-sintasa (CBS) controla el flujo del azufre desde lametionina hasta la cisteína, un precursor del glutatión, taurina y sulfuro de hidrógeno(H2S). La CBS condensa serina y homocisteína para dar cistationina con la ayuda dedos cofactores, hemo y piridoxal-5'-fosfato (PLP). La deficiencia de la actividad CBScausa homocistinuria, un trastorno hereditario del metabolismo del azufre. La CBShumana (hCBS) es una enzima homotetramérica y cada monómero está organizado entres dominios estructurales: (i) la región N-terminal que une hemo, cuya función sedesconoce pero se cree que participa en la regulación redox y/o plegamiento de laenzima; (ii) el núcleo catalítico central que muestra el plegamiento característico de lafamilia de enzimas PLP-dependientes tipo II; y (iii) la región C-terminal que consiste enun par de motivos CBS en tándem (CBS1 y CBS2) (comúnmente conocido como"dominio Bateman") que une el activador alostérico S-adenosilmetionina (AdoMet).AdoMet aumenta hasta cinco veces la actividad catalítica basal de la enzima. Por otrolado, el módulo Bateman también es responsable de la tetramerización de hCBS. Hastael 2010 se desconocía la base estructural subyancente en el mecanismo de regulaciónalostérica y oligomerización de la enzima. Pero la reciente resolución de la estructuracristalina de hCBS a partir del constructo hCBS¿516-525 en su estado basal y activado,así como la estructura del mutante patogénico D444N, nos ha permitido comprendermejor dichas incógnitas.La hCBS en su estado basal forma un dímero simétrico con forma de cesta en laque el dominio catalítico de cada monómero interactúa tanto con el dominio catalítico yel dominio regulador del monómero complementario. La disposición relativa de estosdos dominios hace que el dominio regulador se posicione encima de la entrada al sitiocatalítico dificultando el acceso libre de los sustratos a esta cavidad. La unión deAdoMet al sitio S2 en el módulo Bateman promueve una fuerte rotación de los dosmotivos CBS. Este cambio conformacional desencadena el movimiento del dominioregulador desde su posición inicial hacia el dominio catalítico de su propio monómeropara formar con el dominio regulador complementario una estructura en forma de discoplano conocida como "módulo CBS¿ antiparalelo. Esta disposición del dominio reguladores similar a la encontrada en el insecto Drosophila melanogaster (dCBS), una CBSconstitutivamente activada y no regulada por AdoMet. Podemos concluir que el AdoMetalivia el efecto autoinhibitorio ejercido por la región reguladora en el dominio catalíticopermitiendo un mayor acceso de los sustratos al sitio activo. En base a las estructurasde la hCBS en su estado "basal" y "activado" hemos podido elucidar el mecanismo deactivación mediado por AdoMet y las propiedades del sitio de unión a AdoMet, así comola capacidad de respuesta de la enzima a su regulador alostérico. Es importantedestacar que la estructura de hCBS¿516-525 nos ha permitido demostrar porqué laeliminación del dominio regulador produce dímeros hiperactivos, y por qué la eliminaciónde los residuos 516-525 en el CBS2 altera inevitablemente el equilibrio oligoméricodesde la formación de tetrámeros hacia dímeros. Por otro lado, hemos resuelto laestructura del mutante patógeno D444N, que muestra una mayor actividad basal y unadeficiente respuesta a AdoMet. Curiosamente el plegamiento general de este mutantese asemeja a la de hCBS en su estado basal. En este caso, existe un ligerodesplazamiento de los dominios Bateman hacia la gran cavidad central del dímero y unpequeño cambio en las hélices ¿18 y ¿22, que es suficiente para liberar la entrada alsitio activo en el dominio catalítico.Las estructuras aquí descritas nos permiten entender la patogenicidad de lasnumerosas mutaciones sin sentido que causan la homocistinuria congénita y nospermite clasificar estas mutaciones de acuerdo a cada paso o pasos particulares delmecanismo de activación que se vean afectados. El nuevo conocimiento estructuralpermitirá el diseño racional de compuestos que modulen la actividad de CBS.