Molecular bases of catalysis and ADP-ribose preference of human Mn2+-dependent ADP-ribose/CDP-alcohol diphosphatase and conversion by mutagenesis to a preferential cyclic ADP-ribose phosphohydrolase

Abstract

Entre las fosfatasas métalo-dependientes, ADP-ribosa/CDP-alcohol diphosphatases forman una familia de proteínas (ADPRibase-Mn-like) principalmente restringida, en eucariotas, vertebrados y plantas, con expresión preferencial, al menos en roedores, en células inmunológicas. La rata y el pez cebra, el único Ribase-Mn ADP bioquímicamente estudiados, son ADP-ribosa phosphohydrolases y algo menos eficiente, de CDP-alcoholes y 2',3'-cAMP. Además, la rata, pero no el pez cebra, muestra una única enzima con actividad ADP-ribosa phosphohydrolytic cíclica. La base molecular de tal especificidad es desconocida. Las ADPRibase-Mn de humanos mostraron actividades similares, incluyendo ADP-ribosa phosphohydrolase cíclica, lo que parece común a los mamíferos Ribase-Mn ADP. Acoplamiento del sustrato en un modelo de homología de ADPRibase-Mn de humanos sugiere posibles interacciones de ADP-ribosa con siete residuos ubicado, con una sola excepción (Cys253), ya sea dentro de la metalo-fosfatasas dependientes de la firma (Gln27, Asn110, Su111), o en regiones estructurales exclusivos de la familia ADPRibase-Mn: s2s3 (PHE37 y Arg43) y h7h8 (Phe210), alrededor de la entrada del sitio activo. Se construyeron mutantes y parámetros cinéticos para ADP-ribosa, CDP-colina, 2',3'-cAMP y cíclica de ADP-ribosa fueron determinadas. Phe37 fue necesaria para ADP-ribosa preferencia sin efecto catalítico, según lo indicado por el aumento de la ADP-ribosa Km y kcat invariable de F37A-ADPRibase-Mn Km, mientras que los valores para los otros sustratos apenas se vieron afectadas. Arg43 era esencial para la catálisis como indicado por la drástica pérdida de eficacia demostrada por R43A-ADPRibase-Mn. Inesperadamente, Cys253 obstaculizaba para cADPR phosphohydrolase, según lo indicado por las diez veces la ganancia de eficiencia de C253A-ADPRibase-Mn con ADP-ribosa cíclica. Esto permitió el diseño de un mutante triple (F37A L196F C253A) para que ADP-ribosa cíclica era el mejor sustrato, con una eficiencia catalítica de 3,5'104 M-1s-1 versus 4'103 M-1s-1 del tipo salvaje.

Among metallo-dependent phosphatases, ADP-ribose/CDP-alcohol diphosphatases form a protein family (ADPRibase-Mn-like) mainly restricted, in eukaryotes, to vertebrates and plants, with preferential expression, at least in rodents, in immune cells. Rat and zebrafish ADPRibase-Mn, the only biochemically studied, are phosphohydrolases of ADP-ribose and, somewhat less efficiently, of CDP-alcohols and 2´,3´-cAMP. Furthermore, the rat but not the zebrafish enzyme displays a unique phosphohydrolytic activity on cyclic ADP-ribose. The molecular basis of such specificity is unknown. Human ADPRibase-Mn showed similar activities, including cyclic ADP-ribose phosphohydrolase, which seems thus common to mammalian ADPRibase-Mn. Substrate docking on a homology model of human ADPRibase-Mn suggested possible interactions of ADP-ribose with seven residues located, with one exception (Cys253), either within the metallo-dependent phosphatases signature (Gln27, Asn110, His111), or in unique structural regions of the ADPRibase-Mn family: s2s3 (Phe37 and Arg43) and h7h8 (Phe210), around the active site entrance. Mutants were constructed, and kinetic parameters for ADP-ribose, CDP-choline, 2´,3´-cAMP and cyclic ADP-ribose were determined. Phe37 was needed for ADP-ribose preference without catalytic effect, as indicated by the increased ADP-ribose Km and unchanged kcat of F37A-ADPRibase-Mn, while the Km values for the other substrates were little affected. Arg43 was essential for catalysis as indicated by the drastic efficiency loss shown by R43A-ADPRibase-Mn. Unexpectedly, Cys253 was hindering for cADPR phosphohydrolase, as indicated by the specific tenfold gain of efficiency of C253A-ADPRibase-Mn with cyclic ADP-ribose. This allowed the design of a triple mutant (F37A+L196F+C253A) for which cyclic ADP-ribose was the best substrate, with a catalytic efficiency of 3.5´104 M-1s-1 versus 4´103 M-1s-1 of the wild type.