Revelan el mecanismo molecular de AaNGT, una enzima responsable de una importante modificación postraduccional en las proteínas de bacterias patógenas

La revista Nature Communications publica esta semana un estudio que es el resultado de un trabajo multidisciplinario liderado por dos equipos de investigación de la Universidad de Zaragoza y la Universidad de Barcelona. Este estudio combina experimentos de biología estructural, síntesis química, experimentos de cinética y química computacional.

 

El equipo dirigido por Ramón Hurtado-Guerrero, investigador ARAID en el Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) de la Universidad de Zaragoza, en colaboración con el grupo de Carme Rovira, del Departamento de Química Inorgánica y Orgánica y miembro del IQTCUB de la Universidad de Barcelona, han logrado determinar la estructura tridimensional y el mecanismo de acción de la AaNGT, involucrada en una importante modificación postraduccional y con potencial tanto como objetivo terapéutico como herramienta biotecnológica para la síntesis de glicanos.

 

Las proteínas son biomoléculas esenciales para la vida. La mayoría de las proteínas requieren modificaciones postraduccionales después de su síntesis. Una de las modificaciones postraduccionales más importantes es la N-glicosilación, en la cual una molécula de azúcar se une a un residuo de asparagina (aminoácido) en la proteína. Otros azúcares pueden unirse posteriormente al inicial, formando ramificaciones complejas que son cruciales para la estabilidad y el correcto funcionamiento de la proteína. Muchas proteínas N-glicosiladas, como la proteína spike del SARS-CoV, son objetivos terapéuticos para el desarrollo de fármacos.

 

La N-glicosilación suele ser iniciada por una enzima llamada oligosacariltransferasa (OST) y localizada en la membrana plasmática del retículo endoplásmico. Esta enzima une un oligosacárido específico (una cadena corta de azúcares) a residuos específicos de asparagina en las proteínas. Recientemente se descubrió que una enzima bacteriana, identificada como una N-glicosiltransferasa (NGT) que además era soluble, podía llevar a cabo una N-glicosilación más simple utilizando una sola molécula de azúcar, lo que podría tener aplicaciones biotecnológicas (por ejemplo, la optimización de la decoración de N-glicanos de proteínas o anticuerpos usadas como fármacos).

 

Aunque las estructuras tridimensionales de las NGTs se habían descrito previamente, así como experimentos de mutagénesis en los cuales se reemplazaron aminoácidos en el sitio activo por otros para verificar su importancia para la función de la enzima, el mecanismo molecular seguía siendo desconocido debido a la falta de comprensión de las interacciones enzima-sustrato y las dificultades para identificar los residuos necesarios para la catálisis. Por lo tanto, el mecanismo catalítico empleado por la enzima no se conocía.

 

Los investigadores Beatriz Piniello, bajo la supervisión de la Dra. Carme Rovira de la Universidad de Barcelona, Javier Macías-León, Ana García-García, Billy Veloz y Víctor Taleb, bajo la supervisión del Dr. Ramón Hurtado-Guerrero, investigador ARAID en el Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI-Unizar) y visitante en la Universidad de Copenhague, en colaboración con diferentes equipos tanto nacionales como internacionales (Francisco Corzana de la Universidad de La Rioja y Atsushi Miyagawa del Instituto de Tecnología de Nagoya), utilizaron técnicas de biología estructural, bioquímica y computacionales para desvelar la estructura tridimensional de AaNGT en complejo con varios sustratos, así como las bases moleculares de cómo esta enzima lleva a cabo la N-glicosilación.

 

En el estudio publicado el 18 de septiembre en la revista Nature Communications, los investigadores descubrieron que la AaNGT utiliza un par particular de residuos básicos/acídicos para reconocer la secuencia de aminoácidos donde se encuentra la asparagina crucial. Estos residuos se identificaron a partir de la estructura tridimensional de la AaNGT y un péptido aceptor (un pequeño trozo de una proteína que contiene la secuencia relevante). Además, las estructuras de la enzima en complejo con un sustrato relativamente malo y inhibidores revelaron que estas moléculas se unen en conformaciones no productivas, explicando su limitada catálisis. Por último, los investigadores utilizaron simulaciones de mecánica cuántica/dinámica molecular para desvelar el mecanismo catalítico de la enzima, en el cual el residuo de asparagina debe estar en su forma imídica para reaccionar, y el sustrato donante , y en particular, el beta fostato de UDP-glucosa actúa como la base general.

 

"Estos hallazgos no solo son significativos para mejorar nuestra comprensión de las NGTs, sino que también desvelan un mecanismo completamente nuevo para lograr la glicosilación que difiere de los mecanismos más establecidos en las glicosiltransferasas", destacó Beatriz Piniello.

 

"Además, el conocimiento obtenido de este trabajo podría servir para diseñar estas enzimas y utilizarlas en aplicaciones biotecnológicas, como la síntesis de N-glicanos homogéneos en moléculas tan importantes como los anticuerpos", señaló Hurtado-Guerrero.

 

Beatriz Piniello, Javier Macías-León, Shun Miyazaki, Ana García-García, Ismael Compañón, Mattia Ghirardello, Víctor Taleb, Billy Veloz, Francisco Corzana, Atsushi Miyagawa, Carme Rovira* y Ramón Hurtado-Guerrero*. Molecular basis for bacterial N-glycosylation by a soluble HMW1C-like N-glycosyltransferase. Nature Communications, 2023 (https://rdcu.be/dmq2C). DOI: 10.1038/s41467-023-41238-1.

*Autor de correspondencia.

Se adjunta Fig. 1: Enzyme kinetics and ITC experiments of AaNGT.