Published October 1, 2015 | Version v1
Publication Open

Catalysis of GTP Hydrolysis by Small GTPases at Atomic Detail by Integration of X-ray Crystallography, Experimental, and Theoretical IR Spectroscopy

Creators

  • 1. Ruhr University Bochum
  • 2. Max Planck Institute of Molecular Physiology
  • 3. Shanghai Institutes for Biological Sciences
  • 4. Chinese Academy of Sciences

Description

Small GTPases regulate key processes in cells. Malfunction of their GTPase reaction by mutations is involved in severe diseases. Here, we compare the GTPase reaction of the slower hydrolyzing GTPase Ran with Ras. By combination of time-resolved FTIR difference spectroscopy and QM/MM simulations we elucidate that the Mg2+ coordination by the phosphate groups, which varies largely among the x-ray structures, is the same for Ran and Ras. A new x-ray structure of a Ran·RanBD1 complex with improved resolution confirmed this finding and revealed a general problem with the refinement of Mg2+ in GTPases. The Mg2+ coordination is not responsible for the much slower GTPase reaction of Ran. Instead, the location of the Tyr-39 side chain of Ran between the γ-phosphate and Gln-69 prevents the optimal positioning of the attacking water molecule by the Gln-69 relative to the γ-phosphate. This is confirmed in the RanY39A·RanBD1 crystal structure. The QM/MM simulations provide IR spectra of the catalytic center, which agree very nicely with the experimental ones. The combination of both methods can correlate spectra with structure at atomic detail. For example the FTIR difference spectra of RasA18T and RanT25A mutants show that spectral differences are mainly due to the hydrogen bond of Thr-25 to the α-phosphate in Ran. By integration of x-ray structure analysis, experimental, and theoretical IR spectroscopy the catalytic center of the x-ray structural models are further refined to sub-Å resolution, allowing an improved understanding of catalysis. Small GTPases regulate key processes in cells. Malfunction of their GTPase reaction by mutations is involved in severe diseases. Here, we compare the GTPase reaction of the slower hydrolyzing GTPase Ran with Ras. By combination of time-resolved FTIR difference spectroscopy and QM/MM simulations we elucidate that the Mg2+ coordination by the phosphate groups, which varies largely among the x-ray structures, is the same for Ran and Ras. A new x-ray structure of a Ran·RanBD1 complex with improved resolution confirmed this finding and revealed a general problem with the refinement of Mg2+ in GTPases. The Mg2+ coordination is not responsible for the much slower GTPase reaction of Ran. Instead, the location of the Tyr-39 side chain of Ran between the γ-phosphate and Gln-69 prevents the optimal positioning of the attacking water molecule by the Gln-69 relative to the γ-phosphate. This is confirmed in the RanY39A·RanBD1 crystal structure. The QM/MM simulations provide IR spectra of the catalytic center, which agree very nicely with the experimental ones. The combination of both methods can correlate spectra with structure at atomic detail. For example the FTIR difference spectra of RasA18T and RanT25A mutants show that spectral differences are mainly due to the hydrogen bond of Thr-25 to the α-phosphate in Ran. By integration of x-ray structure analysis, experimental, and theoretical IR spectroscopy the catalytic center of the x-ray structural models are further refined to sub-Å resolution, allowing an improved understanding of catalysis.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تنظم GTPases الصغيرة العمليات الرئيسية في الخلايا. ويشارك خلل تفاعل GTPase الخاص بهم عن طريق الطفرات في الأمراض الشديدة. هنا، نقارن تفاعل GTPase للتحلل المائي الأبطأ GTPase RAN مع RAS. من خلال الجمع بين التحليل الطيفي لاختلاف FTIR الذي تم حله بمرور الوقت ومحاكاة QM/MM، نوضح أن تنسيق Mg2 + من قبل مجموعات الفوسفات، والذي يختلف إلى حد كبير بين هياكل الأشعة السينية، هو نفسه بالنسبة لـ RAN و RAS. أكدت بنية الأشعة السينية الجديدة لمجمع Ran· RanBD1 مع دقة محسنة هذه النتيجة وكشفت عن مشكلة عامة في تحسين Mg2 + في GTPases. تنسيق Mg2+ ليس مسؤولاً عن تفاعل GTPase الأبطأ بكثير لـ RAN. بدلاً من ذلك، فإن موقع السلسلة الجانبية Tyr -39 لـ Ran بين γ - phosphate و Gln -69 يمنع الوضع الأمثل لجزيء الماء المهاجم بواسطة Gln -69 بالنسبة إلى γ - phosphate. تم تأكيد ذلك في الهيكل البلوري RanY39A · RanBD1. توفر عمليات محاكاة QM/MM أطياف الأشعة تحت الحمراء للمركز التحفيزي، والتي تتفق بشكل جيد للغاية مع تلك التجريبية. يمكن للجمع بين الطريقتين أن يربط الأطياف بالهيكل في التفاصيل الذرية. على سبيل المثال، تُظهر أطياف اختلاف FTIR لطفرات RasA18T و RanT25A أن الاختلافات الطيفية ترجع أساسًا إلى الرابطة الهيدروجينية لـ Thr -25 إلى ألفا فوسفات في Ran. من خلال دمج تحليل بنية الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء التجريبية والنظرية، يتم تحسين المركز التحفيزي للنماذج الهيكلية للأشعة السينية بشكل أكبر إلى دقة فرعية، مما يسمح بفهم أفضل للتحفيز. تنظم GTPases الصغيرة العمليات الرئيسية في الخلايا. ويشارك خلل تفاعل GTPase الخاص بهم عن طريق الطفرات في الأمراض الشديدة. هنا، نقارن تفاعل GTPase للتحلل المائي الأبطأ GTPase RAN مع RAS. من خلال الجمع بين التحليل الطيفي لاختلاف FTIR الذي تم حله بمرور الوقت ومحاكاة QM/MM، نوضح أن تنسيق Mg2 + من قبل مجموعات الفوسفات، والذي يختلف إلى حد كبير بين هياكل الأشعة السينية، هو نفسه بالنسبة لـ RAN و RAS. أكدت بنية الأشعة السينية الجديدة لمجمع Ran· RanBD1 مع دقة محسنة هذه النتيجة وكشفت عن مشكلة عامة في تحسين Mg2 + في GTPases. تنسيق Mg2+ ليس مسؤولاً عن تفاعل GTPase الأبطأ بكثير لـ RAN. بدلاً من ذلك، فإن موقع السلسلة الجانبية Tyr -39 لـ Ran بين γ - phosphate و Gln -69 يمنع الوضع الأمثل لجزيء الماء المهاجم بواسطة Gln -69 بالنسبة إلى γ - phosphate. تم تأكيد ذلك في الهيكل البلوري RanY39A · RanBD1. توفر عمليات محاكاة QM/MM أطياف الأشعة تحت الحمراء للمركز التحفيزي، والتي تتفق بشكل جيد للغاية مع تلك التجريبية. يمكن للجمع بين الطريقتين أن يربط الأطياف بالهيكل في التفاصيل الذرية. على سبيل المثال، تُظهر أطياف اختلاف FTIR لطفرات RasA18T و RanT25A أن الاختلافات الطيفية ترجع أساسًا إلى الرابطة الهيدروجينية لـ Thr -25 إلى ألفا فوسفات في Ran. من خلال دمج تحليل بنية الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء التجريبية والنظرية، يتم تحسين المركز التحفيزي للنماذج الهيكلية للأشعة السينية بشكل أكبر إلى دقة فرعية، مما يسمح بفهم أفضل للتحفيز.

Translated Description (French)

Les petites GTPases régulent les processus clés dans les cellules. Un dysfonctionnement de leur réaction GTPase par mutations est impliqué dans des maladies graves. Ici, nous comparons la réaction GTPase de la GTPase Ran à hydrolyse plus lente avec la ras. En combinant la spectroscopie de différence FTIR résolue en temps et les simulations QM/MM, nous élucidons que la coordination Mg2+ par les groupes phosphate, qui varie largement entre les structures de rayons X, est la même pour Ran et Ras. Une nouvelle structure radiographique d'un complexe Ran·RanBD1 avec une résolution améliorée a confirmé cette découverte et révélé un problème général avec le raffinement de Mg2+ dans les GTPases. La coordination Mg2+ n'est pas responsable de la réaction GTPase beaucoup plus lente de Ran. Au lieu de cela, l'emplacement de la chaîne latérale Tyr-39 de Ran entre le γ-phosphate et Gln-69 empêche le positionnement optimal de la molécule d'eau attaquante par le Gln-69 par rapport au γ-phosphate. Ceci est confirmé dans la structure cristalline RanY39A · RanBD1. Les simulations QM/MM fournissent des spectres IR du centre catalytique, qui s'accordent très bien avec ceux expérimentaux. La combinaison des deux méthodes peut corréler les spectres avec la structure au niveau des détails atomiques. Par exemple, les spectres de différence FTIR des mutants RasA18T et RanT25A montrent que les différences spectrales sont principalement dues à la liaison hydrogène de Thr-25 à l'α-phosphate dans Ran. En intégrant l'analyse de la structure des rayons X, la spectroscopie IR expérimentale et théorique, le centre catalytique des modèles structurels des rayons X est encore affiné à une résolution inférieure à Å, ce qui permet une meilleure compréhension de la catalyse. Les petites GTPases régulent les processus clés dans les cellules. Un dysfonctionnement de leur réaction GTPase par mutations est impliqué dans des maladies graves. Ici, nous comparons la réaction GTPase de la GTPase Ran à hydrolyse plus lente avec la ras. En combinant la spectroscopie de différence FTIR résolue en temps et les simulations QM/MM, nous élucidons que la coordination Mg2+ par les groupes phosphate, qui varie largement entre les structures de rayons X, est la même pour Ran et Ras. Une nouvelle structure radiographique d'un complexe Ran·RanBD1 avec une résolution améliorée a confirmé cette découverte et révélé un problème général avec le raffinement de Mg2+ dans les GTPases. La coordination Mg2+ n'est pas responsable de la réaction GTPase beaucoup plus lente de Ran. Au lieu de cela, l'emplacement de la chaîne latérale Tyr-39 de Ran entre le γ-phosphate et Gln-69 empêche le positionnement optimal de la molécule d'eau attaquante par le Gln-69 par rapport au γ-phosphate. Ceci est confirmé dans la structure cristalline RanY39A · RanBD1. Les simulations QM/MM fournissent des spectres IR du centre catalytique, qui s'accordent très bien avec ceux expérimentaux. La combinaison des deux méthodes peut corréler les spectres avec la structure au niveau des détails atomiques. Par exemple, les spectres de différence FTIR des mutants RasA18T et RanT25A montrent que les différences spectrales sont principalement dues à la liaison hydrogène de Thr-25 à l'α-phosphate dans Ran. En intégrant l'analyse de la structure des rayons X, la spectroscopie IR expérimentale et théorique, le centre catalytique des modèles structurels des rayons X est encore affiné à une résolution inférieure à Å, ce qui permet une meilleure compréhension de la catalyse.

Translated Description (Spanish)

Las GTPasas pequeñas regulan procesos clave en las células. El mal funcionamiento de su reacción GTPasa por mutaciones está implicado en enfermedades graves. Aquí, comparamos la reacción de GTPasa de la GTPasa Ran de hidrólisis más lenta con Ras. Mediante la combinación de espectroscopía de diferencia FTIR resuelta en el tiempo y simulaciones QM/MM, dilucidamos que la coordinación de Mg2+ por los grupos fosfato, que varía en gran medida entre las estructuras de rayos X, es la misma para Ran y Ras. Una nueva estructura de rayos X de un complejo Ran·RanBD1 con resolución mejorada confirmó este hallazgo y reveló un problema general con el refinamiento de Mg2+ en GTPasas. La coordinación de Mg2+ no es responsable de la reacción GTPasa mucho más lenta de Ran. En cambio, la ubicación de la cadena lateral Tyr-39 de Ran entre el γ-fosfato y Gln-69 impide el posicionamiento óptimo de la molécula de agua atacante por el Gln-69 en relación con el γ-fosfato. Esto se confirma en la estructura cristalina RanY39A ·RanBD1. Las simulaciones QM/MM proporcionan espectros IR del centro catalítico, que coinciden muy bien con los experimentales. La combinación de ambos métodos puede correlacionar los espectros con la estructura en detalle atómico. Por ejemplo, los espectros de diferencia FTIR de los mutantes RasA18T y RanT25A muestran que las diferencias espectrales se deben principalmente al enlace de hidrógeno de Thr-25 al α-fosfato en Ran. Mediante la integración del análisis de la estructura de rayos X, la espectroscopia IR experimental y teórica, el centro catalítico de los modelos estructurales de rayos X se refina aún más a una resolución subÅ, lo que permite una mejor comprensión de la catálisis. Las GTPasas pequeñas regulan procesos clave en las células. El mal funcionamiento de su reacción GTPasa por mutaciones está implicado en enfermedades graves. Aquí, comparamos la reacción de GTPasa de la GTPasa Ran de hidrólisis más lenta con Ras. Mediante la combinación de espectroscopía de diferencia FTIR resuelta en el tiempo y simulaciones QM/MM, dilucidamos que la coordinación de Mg2+ por los grupos fosfato, que varía en gran medida entre las estructuras de rayos X, es la misma para Ran y Ras. Una nueva estructura de rayos X de un complejo Ran·RanBD1 con resolución mejorada confirmó este hallazgo y reveló un problema general con el refinamiento de Mg2+ en GTPasas. La coordinación de Mg2+ no es responsable de la reacción GTPasa mucho más lenta de Ran. En cambio, la ubicación de la cadena lateral Tyr-39 de Ran entre el γ-fosfato y Gln-69 impide el posicionamiento óptimo de la molécula de agua atacante por el Gln-69 en relación con el γ-fosfato. Esto se confirma en la estructura cristalina RanY39A ·RanBD1. Las simulaciones QM/MM proporcionan espectros IR del centro catalítico, que coinciden muy bien con los experimentales. La combinación de ambos métodos puede correlacionar los espectros con la estructura en detalle atómico. Por ejemplo, los espectros de diferencia FTIR de los mutantes RasA18T y RanT25A muestran que las diferencias espectrales se deben principalmente al enlace de hidrógeno de Thr-25 al α-fosfato en Ran. Mediante la integración del análisis de la estructura de rayos X, la espectroscopia IR experimental y teórica, el centro catalítico de los modelos estructurales de rayos X se refina aún más a una resolución subÅ, lo que permite una mejor comprensión de la catálisis.

Files

pdf.pdf

Files (16.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a5180b10cde62d5f42085f8714808ffb
16.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحفيز التحلل المائي GTP بواسطة GTPases الصغيرة في التفصيل الذري عن طريق دمج علم البلورات بالأشعة السينية، الطيف التجريبي والنظري للأشعة تحت الحمراء
Translated title (French)
Catalyse de l'hydrolyse du GTP par de petites GTPases au niveau du détail atomique par intégration de la cristallographie aux rayons X, de la spectroscopie IR expérimentale et théorique
Translated title (Spanish)
Catálisis de la hidrólisis de GTP por pequeñas GTPasas en detalle atómico mediante integración de cristalografía de rayos X, espectroscopía IR experimental y teórica

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2138834065
DOI
10.1074/jbc.m115.648071

Is supplement to
https://openalex.org/W2276183529 (Other)
https://openalex.org/W2769412055 (Other)
https://openalex.org/W2008470784 (Other)
https://openalex.org/W2072932710 (Other)
https://openalex.org/W1570552209 (Other)
https://openalex.org/W2331905247 (Other)
https://openalex.org/W1981420406 (Other)
https://openalex.org/W1976401619 (Other)
https://openalex.org/W83158222 (Other)
https://openalex.org/W4252474963 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W38520883
  • https://openalex.org/W158810188
  • https://openalex.org/W1565553112
  • https://openalex.org/W1609104027
  • https://openalex.org/W1912320374
  • https://openalex.org/W1966078827
  • https://openalex.org/W1966335572
  • https://openalex.org/W1976170436
  • https://openalex.org/W1979313952
  • https://openalex.org/W1979758767
  • https://openalex.org/W1982455605
  • https://openalex.org/W1982660730
  • https://openalex.org/W1984282611
  • https://openalex.org/W1984926639
  • https://openalex.org/W1996786959
  • https://openalex.org/W2004326216
  • https://openalex.org/W2009037546
  • https://openalex.org/W2024360731
  • https://openalex.org/W2024944232
  • https://openalex.org/W2026128118
  • https://openalex.org/W2036277985
  • https://openalex.org/W2036847375
  • https://openalex.org/W2038989070
  • https://openalex.org/W2043124575
  • https://openalex.org/W2048492672
  • https://openalex.org/W2051822017
  • https://openalex.org/W2058174854
  • https://openalex.org/W2059172461
  • https://openalex.org/W2069738597
  • https://openalex.org/W2082570884
  • https://openalex.org/W2096436473
  • https://openalex.org/W2101724097
  • https://openalex.org/W2122028042
  • https://openalex.org/W2126214044
  • https://openalex.org/W2131399205
  • https://openalex.org/W2135184154
  • https://openalex.org/W2144981335
  • https://openalex.org/W2146052226
  • https://openalex.org/W2149915220
  • https://openalex.org/W2155610392
  • https://openalex.org/W2160284454
  • https://openalex.org/W2165306451
  • https://openalex.org/W2171268876
  • https://openalex.org/W2333950962
  • https://openalex.org/W4244536630