Structural Basis for Antifreeze Activity of Ice-binding Protein from Arctic Yeast
Creators
- 1. Korea Polar Research Institute
- 2. University of Science and Technology
- 3. Korea University of Science and Technology
- 4. Korea University
Description
Arctic yeast Leucosporidium sp. produces a glycosylated ice-binding protein (LeIBP) with a molecular mass of ∼25 kDa, which can lower the freezing point below the melting point once it binds to ice. LeIBP is a member of a large class of ice-binding proteins, the structures of which are unknown. Here, we report the crystal structures of non-glycosylated LeIBP and glycosylated LeIBP at 1.57- and 2.43-Å resolution, respectively. Structural analysis of the LeIBPs revealed a dimeric right-handed β-helix fold, which is composed of three parts: a large coiled structural domain, a long helix region (residues 96–115 form a long α-helix that packs along one face of the β-helix), and a C-terminal hydrophobic loop region (243PFVPAPEVV251). Unexpectedly, the C-terminal hydrophobic loop region has an extended conformation pointing away from the body of the coiled structural domain and forms intertwined dimer interactions. In addition, structural analysis of glycosylated LeIBP with sugar moieties attached to Asn185 provides a basis for interpreting previous biochemical analyses as well as the increased stability and secretion of glycosylated LeIBP. We also determined that the aligned Thr/Ser/Ala residues are critical for ice binding within the B face of LeIBP using site-directed mutagenesis. Although LeIBP has a common β-helical fold similar to that of canonical hyperactive antifreeze proteins, the ice-binding site is more complex and does not have a simple ice-binding motif. In conclusion, we could identify the ice-binding site of LeIBP and discuss differences in the ice-binding modes compared with other known antifreeze proteins and ice-binding proteins. Arctic yeast Leucosporidium sp. produces a glycosylated ice-binding protein (LeIBP) with a molecular mass of ∼25 kDa, which can lower the freezing point below the melting point once it binds to ice. LeIBP is a member of a large class of ice-binding proteins, the structures of which are unknown. Here, we report the crystal structures of non-glycosylated LeIBP and glycosylated LeIBP at 1.57- and 2.43-Å resolution, respectively. Structural analysis of the LeIBPs revealed a dimeric right-handed β-helix fold, which is composed of three parts: a large coiled structural domain, a long helix region (residues 96–115 form a long α-helix that packs along one face of the β-helix), and a C-terminal hydrophobic loop region (243PFVPAPEVV251). Unexpectedly, the C-terminal hydrophobic loop region has an extended conformation pointing away from the body of the coiled structural domain and forms intertwined dimer interactions. In addition, structural analysis of glycosylated LeIBP with sugar moieties attached to Asn185 provides a basis for interpreting previous biochemical analyses as well as the increased stability and secretion of glycosylated LeIBP. We also determined that the aligned Thr/Ser/Ala residues are critical for ice binding within the B face of LeIBP using site-directed mutagenesis. Although LeIBP has a common β-helical fold similar to that of canonical hyperactive antifreeze proteins, the ice-binding site is more complex and does not have a simple ice-binding motif. In conclusion, we could identify the ice-binding site of LeIBP and discuss differences in the ice-binding modes compared with other known antifreeze proteins and ice-binding proteins.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تنتج خميرة القطب الشمالي Leucosporidium sp بروتين ربط الجليد بالجليكوزيل (LeIBP) بكتلة جزيئية تبلغ 25 كيلو دالتون، والتي يمكن أن تخفض نقطة التجمد تحت نقطة الانصهار بمجرد ارتباطها بالجليد. LeIBP هو عضو في فئة كبيرة من البروتينات الرابطة للجليد، وهياكلها غير معروفة. هنا، نقوم بالإبلاغ عن الهياكل البلورية لـ LeIBP غير الغليكوزيلاتي و LeIBP الغليكوزيلاتي في 1.57- و 2.43 - درجة الوضوح، على التوالي. كشف التحليل الهيكلي لـ LeIBPs عن طية حلزونية يمنى باهتة، تتكون من ثلاثة أجزاء: مجال هيكلي ملفوف كبير، ومنطقة حلزونية طويلة (تشكل البقايا 96-115 حلزونية α طويلة تتجمع على طول وجه واحد من حلزون β)، ومنطقة حلقة كارهة للماء في الطرف C (243PFVPAPEVV251). بشكل غير متوقع، تحتوي منطقة الحلقة الكارهة للماء للطرف C على تكوين ممتد يشير بعيدًا عن جسم المجال الهيكلي الملتف ويشكل تفاعلات ثنائية متشابكة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر التحليل الهيكلي لـ LeIBP المعالج بالجليكوزيل مع نواتج السكر المرتبطة بـ Asn185 أساسًا لتفسير التحليلات الكيميائية الحيوية السابقة بالإضافة إلى زيادة استقرار وإفراز LeIBP المعالج بالجليكوزيل. لقد قررنا أيضًا أن بقايا THR/SER/ALA المحاذاة ضرورية لربط الجليد داخل الوجه B لـ LeIBP باستخدام الطفرات الموجهة نحو الموقع. على الرغم من أن LeIBP له طية حلزونية بيتا شائعة مماثلة لتلك الموجودة في البروتينات المضادة للتجمد شديدة النشاط الكنسي، إلا أن موقع ربط الجليد أكثر تعقيدًا وليس له عزر بسيط لربط الجليد. في الختام، يمكننا تحديد موقع ربط الجليد لـ LeIBP ومناقشة الاختلافات في أوضاع ربط الجليد مقارنة بالبروتينات الأخرى المعروفة المضادة للتجمد والبروتينات المرتبطة بالجليد. تنتج خميرة القطب الشمالي Leucosporidium sp بروتين ربط الجليد بالجليكوزيل (LeIBP) بكتلة جزيئية تبلغ 25 كيلو دالتون، والتي يمكن أن تخفض نقطة التجمد تحت نقطة الانصهار بمجرد ارتباطها بالجليد. LeIBP هو عضو في فئة كبيرة من البروتينات الرابطة للجليد، وهياكلها غير معروفة. هنا، نقوم بالإبلاغ عن الهياكل البلورية لـ LeIBP غير الغليكوزيلاتي و LeIBP الغليكوزيلاتي في 1.57- و 2.43 - درجة الوضوح، على التوالي. كشف التحليل الهيكلي لـ LeIBPs عن طية حلزونية يمنى باهتة، تتكون من ثلاثة أجزاء: مجال هيكلي ملفوف كبير، ومنطقة حلزونية طويلة (تشكل البقايا 96-115 حلزونية α طويلة تتجمع على طول وجه واحد من حلزون β)، ومنطقة حلقة كارهة للماء في الطرف C (243PFVPAPEVV251). بشكل غير متوقع، تحتوي منطقة الحلقة الكارهة للماء للطرف C على تكوين ممتد يشير بعيدًا عن جسم المجال الهيكلي الملتف ويشكل تفاعلات ثنائية متشابكة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر التحليل الهيكلي لـ LeIBP المعالج بالجليكوزيل مع نواتج السكر المرتبطة بـ Asn185 أساسًا لتفسير التحليلات الكيميائية الحيوية السابقة بالإضافة إلى زيادة استقرار وإفراز LeIBP المعالج بالجليكوزيل. لقد قررنا أيضًا أن بقايا THR/SER/ALA المحاذاة ضرورية لربط الجليد داخل الوجه B لـ LeIBP باستخدام الطفرات الموجهة نحو الموقع. على الرغم من أن LeIBP له طية حلزونية بيتا شائعة مماثلة لتلك الموجودة في البروتينات المضادة للتجمد شديدة النشاط الكنسي، إلا أن موقع ربط الجليد أكثر تعقيدًا وليس له عزر بسيط لربط الجليد. في الختام، يمكننا تحديد موقع ربط الجليد لـ LeIBP ومناقشة الاختلافات في أوضاع ربط الجليد مقارنة بالبروتينات الأخرى المعروفة المضادة للتجمد والبروتينات المرتبطة بالجليد.Translated Description (French)
La levure arctique Leucosporidium sp. produit une protéine de liaison à la glace glycosylée (LeIBP) d'une masse moléculaire d'environ25 kDa, qui peut abaisser le point de congélation en dessous du point de fusion une fois qu'elle se lie à la glace. LeIBP fait partie d'une grande classe de protéines liant la glace, dont les structures sont inconnues. Ici, nous rapportons les structures cristallines de LeIBP non glycosylée et de LeIBP glycosylée à une résolution de 1,57- et 2,43 -Å, respectivement. L'analyse structurelle des LeIBPs a révélé un pli dimère en hélice β droite, composé de trois parties : un grand domaine structurel enroulé, une longue région en hélice (les résidus 96–115 forment une longue hélice α qui se tasse le long d'une face de l'hélice β) et une région en boucle hydrophobe C-terminale (243PFVPAPEVV251). De manière inattendue, la région de boucle hydrophobe C-terminale a une conformation étendue pointant à l'opposé du corps du domaine structurel enroulé et forme des interactions dimères entrelacées. En outre, l'analyse structurelle de la LeIBP glycosylée avec des fractions de sucre attachées à Asn185 fournit une base pour interpréter les analyses biochimiques antérieures ainsi que l'augmentation de la stabilité et de la sécrétion de la LeIBP glycosylée. Nous avons également déterminé que les résidus Thr/Ser/Ala alignés sont critiques pour la liaison à la glace dans la face B de LeIBP en utilisant la mutagenèse dirigée. Bien que LeIBP ait un pli β-hélicoïdal commun similaire à celui des protéines antigel hyperactives canoniques, le site de liaison à la glace est plus complexe et n'a pas un simple motif de liaison à la glace. En conclusion, nous avons pu identifier le site de liaison à la glace de LeIBP et discuter des différences dans les modes de liaison à la glace par rapport à d'autres protéines antigel et protéines de liaison à la glace connues. La levure arctique Leucosporidium sp. produit une protéine de liaison à la glace glycosylée (LeIBP) d'une masse moléculaire d'environ25 kDa, qui peut abaisser le point de congélation en dessous du point de fusion une fois qu'elle se lie à la glace. LeIBP fait partie d'une grande classe de protéines liant la glace, dont les structures sont inconnues. Ici, nous rapportons les structures cristallines de LeIBP non glycosylée et de LeIBP glycosylée à une résolution de 1,57- et 2,43 -Å, respectivement. L'analyse structurelle des LeIBPs a révélé un pli dimère en hélice β droite, composé de trois parties : un grand domaine structurel enroulé, une longue région en hélice (les résidus 96–115 forment une longue hélice α qui se tasse le long d'une face de l'hélice β) et une région en boucle hydrophobe C-terminale (243PFVPAPEVV251). De manière inattendue, la région de boucle hydrophobe C-terminale a une conformation étendue pointant à l'opposé du corps du domaine structurel enroulé et forme des interactions dimères entrelacées. En outre, l'analyse structurelle de la LeIBP glycosylée avec des fractions de sucre attachées à Asn185 fournit une base pour interpréter les analyses biochimiques antérieures ainsi que l'augmentation de la stabilité et de la sécrétion de la LeIBP glycosylée. Nous avons également déterminé que les résidus Thr/Ser/Ala alignés sont critiques pour la liaison à la glace dans la face B de LeIBP en utilisant la mutagenèse dirigée. Bien que LeIBP ait un pli β-hélicoïdal commun similaire à celui des protéines antigel hyperactives canoniques, le site de liaison à la glace est plus complexe et n'a pas un simple motif de liaison à la glace. En conclusion, nous avons pu identifier le site de liaison à la glace de LeIBP et discuter des différences dans les modes de liaison à la glace par rapport à d'autres protéines antigel et protéines de liaison à la glace connues.Translated Description (Spanish)
La levadura ártica Leucosporidium sp. produce una proteína glicosilada de unión al hielo (LeIBP) con una masa molecular de ~25 kDa, que puede reducir el punto de congelación por debajo del punto de fusión una vez que se une al hielo. LeIBP es miembro de una gran clase de proteínas de unión a hielo, cuyas estructuras se desconocen. Aquí, informamos las estructuras cristalinas de LeIBP no glicosilada y LeIBP glicosilada a una resolución de 1,57 y 2,43, respectivamente. El análisis estructural de los LeIBP reveló un pliegue dimérico de hélice β a la derecha, que se compone de tres partes: un dominio estructural enrollado grande, una región de hélice larga (los residuos 96–115 forman una hélice α larga que se empaqueta a lo largo de una cara de la hélice β) y una región de bucle hidrófobo C-terminal (243PFVPAPEVV251). Inesperadamente, la región de bucle hidrófobo C-terminal tiene una conformación extendida que apunta hacia afuera del cuerpo del dominio estructural enrollado y forma interacciones de dímeros entrelazados. Además, el análisis estructural de LeIBP glicosilada con restos de azúcar unidos a Asn185 proporciona una base para interpretar análisis bioquímicos previos, así como la mayor estabilidad y secreción de LeIBP glicosilada. También determinamos que los residuos de Thr/Ser/Ala alineados son críticos para la unión de ICE dentro de la cara B de LeIBP utilizando mutagénesis dirigida al sitio. Aunque LeIBP tiene un pliegue β-helicoidal común similar al de las proteínas anticongelantes hiperactivas canónicas, el sitio de unión al hielo es más complejo y no tiene un motivo simple de unión al hielo. En conclusión, podríamos identificar el sitio de unión a hielo de LeIBP y discutir las diferencias en los modos de unión a hielo en comparación con otras proteínas anticongelantes y proteínas de unión a hielo conocidas. La levadura ártica Leucosporidium sp. produce una proteína glicosilada de unión al hielo (LeIBP) con una masa molecular de ~25 kDa, que puede reducir el punto de congelación por debajo del punto de fusión una vez que se une al hielo. LeIBP es miembro de una gran clase de proteínas de unión a hielo, cuyas estructuras se desconocen. Aquí, informamos las estructuras cristalinas de LeIBP no glicosilada y LeIBP glicosilada a una resolución de 1,57 y 2,43, respectivamente. El análisis estructural de los LeIBP reveló un pliegue dimérico de hélice β a la derecha, que se compone de tres partes: un dominio estructural enrollado grande, una región de hélice larga (los residuos 96–115 forman una hélice α larga que se empaqueta a lo largo de una cara de la hélice β) y una región de bucle hidrófobo C-terminal (243PFVPAPEVV251). Inesperadamente, la región de bucle hidrófobo C-terminal tiene una conformación extendida que apunta hacia afuera del cuerpo del dominio estructural enrollado y forma interacciones de dímeros entrelazados. Además, el análisis estructural de LeIBP glicosilada con restos de azúcar unidos a Asn185 proporciona una base para interpretar análisis bioquímicos previos, así como la mayor estabilidad y secreción de LeIBP glicosilada. También determinamos que los residuos de Thr/Ser/Ala alineados son críticos para la unión de ICE dentro de la cara B de LeIBP utilizando mutagénesis dirigida al sitio. Aunque LeIBP tiene un pliegue β-helicoidal común similar al de las proteínas anticongelantes hiperactivas canónicas, el sitio de unión al hielo es más complejo y no tiene un motivo simple de unión al hielo. En conclusión, podríamos identificar el sitio de unión a hielo de LeIBP y discutir las diferencias en los modos de unión a hielo en comparación con otras proteínas anticongelantes y proteínas de unión a hielo conocidas.Files
pdf.pdf
Files
(16.1 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b33c55e4fee5270a603001529163fc64
|
16.1 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الأساس الهيكلي لنشاط التجمد لبروتين ربط الجليد من خميرة القطب الشمالي
- Translated title (French)
- Base structurelle de l'activité antigel de la protéine de liaison à la glace de la levure arctique
- Translated title (Spanish)
- Base estructural para la actividad anticongelante de la proteína de unión al hielo de la levadura ártica
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2978984835
- DOI
- 10.1074/jbc.m111.331835
References
- https://openalex.org/W1515831890
- https://openalex.org/W1530451662
- https://openalex.org/W1598594714
- https://openalex.org/W1877147113
- https://openalex.org/W1928695543
- https://openalex.org/W1965775632
- https://openalex.org/W1968477261
- https://openalex.org/W1972304226
- https://openalex.org/W1978504323
- https://openalex.org/W1978897416
- https://openalex.org/W1981612481
- https://openalex.org/W1982078437
- https://openalex.org/W1987856093
- https://openalex.org/W1991914801
- https://openalex.org/W1995676054
- https://openalex.org/W2001641653
- https://openalex.org/W2006811376
- https://openalex.org/W2012313889
- https://openalex.org/W2038840577
- https://openalex.org/W2042545194
- https://openalex.org/W2043512464
- https://openalex.org/W2052697362
- https://openalex.org/W2070464215
- https://openalex.org/W2074791933
- https://openalex.org/W2077647033
- https://openalex.org/W2086056193
- https://openalex.org/W2087968683
- https://openalex.org/W2095689418
- https://openalex.org/W2097382368
- https://openalex.org/W2097493124
- https://openalex.org/W2109532360
- https://openalex.org/W2110893691
- https://openalex.org/W2122339645
- https://openalex.org/W2138784443
- https://openalex.org/W2144081223
- https://openalex.org/W2144097210
- https://openalex.org/W2148378265
- https://openalex.org/W2150687797
- https://openalex.org/W2151442356
- https://openalex.org/W2160086948
- https://openalex.org/W2160223767
- https://openalex.org/W2166848166