Análise estrutural de um endógeno 4

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 552 (2023) Cite este artigo

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O complexo oxoglutarato desidrogenase (OGDHc) participa do ciclo do ácido tricarboxílico e, em uma reação de múltiplas etapas, descarboxila o α-cetoglutarato, transfere succinil para CoA e reduz NAD+. Devido ao seu papel central no metabolismo, os componentes enzimáticos da OGDHc foram estudados isoladamente; no entanto, suas interações dentro do OGDHc endógeno permanecem indefinidas. Aqui, discernimos a organização de um OGDHc termofílico, eucariótico e nativo em seu estado ativo. Combinando métodos bioquímicos, biofísicos e bioinformáticos, resolvemos sua composição, arquitetura 3D e função molecular em resolução de 3,35 Å. Além disso, relatamos a estrutura crio-EM de alta resolução do núcleo OGDHc (E2o), que exibe várias adaptações estruturais. Isso inclui padrões de ligações de hidrogênio que limitam as interações das enzimas participantes do OGDHc (E1o-E2o-E3), tunelamento eletrostático que impulsiona a comunicação entre as subunidades e a presença de uma subunidade flexível (E3BPo), conectando E2o e E3. Esta análise multiescala de um extrato celular nativo produtor de succinil-CoA fornece um modelo para estudos de função de estrutura de misturas complexas de valor médico e biotecnológico.

O complexo oxoglutarato desidrogenase (OGDHc) é um dos principais reguladores do fluxo metabólico no ciclo tricarboxílico (TCA), o que significa que as células mantêm a abundância e a atividade de OGDHc sob rígido controle1,2. Em eucariotos, OGDHc é ativo na mitocôndria, mas uma fração do complexo também se localiza no núcleo realizando succinilação de lisina de histonas3. A reação catalisada por OGDHc – a descarboxilação de oxoglutarato (α-cetoglutarato) em succinil-CoA – é importante para a produção de energia, a interação metabólica entre mitocôndrias e citoplasma, bem como o metabolismo de neurotransmissores. Isso ocorre porque o oxoglutarato (α-cetoglutarato) é gerado no ciclo do TCA durante a oxidação de carboidratos e ácidos graxos e pela glutamato desidrogenase durante a desaminação oxidativa do glutamato. Além disso, é produzido pela transaminação do glutamato como parte do transporte malato-aspartato, que transfere equivalentes redutores do citoplasma para as mitocôndrias. Esta posição crucial do OGDHc no metabolismo e a associação entre a diminuição da atividade do OGDHc no cérebro e a neurodegeneração estimularam extensas pesquisas4,5. Além disso, OGDHc é altamente sensível a espécies reativas de oxigênio (ROS)6, e sua possível inibição devido ao estresse oxidativo pode ser prejudicial ao metabolismo geral da célula. Tais condições celulares associadas ao câncer podem afetar a atividade de OGDHc7, especialmente considerando que o oxoglutarato é um efetor da supressão tumoral mediada por p538. Consequentemente, a compreensão das relações estrutura-função de OGDHc é de particular interesse.

No nível molecular, OGDHc é um conjunto do tamanho de um megadalton de múltiplas cópias de três enzimas, a saber, E1o (oxoglutarato desidrogenase, EC 1.2.4.2), E2o (dihidrolipoil succiniltransferase, EC 2.3.1.61) e E3 (dihidrolipoil desidrogenase, EC 1.8). 1.4). E2o forma o núcleo do complexo com uma estequiometria estável de 24 cópias em uma montagem cúbica, enquanto as proteínas E1o e E3 se reúnem em sua periferia para realizar a reação completa em um metabolon de alta ordem estequiometricamente e estruturalmente desconhecido (Fig. 1A ). Embora os componentes únicos da enzima OGDHc tenham sido resolvidos estruturalmente e a caracterização cinética de suas etapas discretas seja estudada9,10,11 (Fig. 1B), sua intercomunicação é desconhecida, dificultando, portanto, estudos estrutura-função subjacentes a esse metabolon. Devido ao desafio de sondar sua estrutura e função endógena, a análise de espectrometria de massa moderna combinada com modelagem baseada em reticulação foi recentemente empregada para obter insights sobre a proximidade da subunidade de OGDHc em baixa resolução sem sondar sua atividade12. Isso se deve ao fato de que o metabolon ainda não foi reconstituído in vitro como uma entidade funcional, apesar de décadas de pesquisa. Além disso, o domínio lipoil (LD) que transfere intermediários lipoil de um sítio ativo para o próximo (E1o → E2o → E3) faz parte de um braço E2o altamente flexível, representando um desafio particular para seu estudo por métodos estruturais tradicionais. O envolvimento potencial de elementos estruturais adicionais, como subunidades que poderiam contribuir para a comunicação cruzada OGDHc, ou seja, KGD413, complica ainda mais a caracterização do complexo.