Diguanilato ciclasa

La diguanilato ciclasa , también conocida como diguanilato quinasa ( EC 2.7.7.65 ), es una enzima que cataliza la reacción química :

2

 

guanosina trifosfato

 

 

2 PP _i

 

 

 

di-GMP cíclico

Los sustratos de las diguanilato ciclasas (DGC) son dos moléculas de guanosina trifosfato (GTP) y los productos son dos moléculas de difosfato (PP _i ) y una molécula de di-3',5'-guanilato cíclico (di-GMP cíclico).

La degradación del di-GMP cíclico a monofosfato de guanosina (GMP) es catalizada por una fosfodiesterasa (PDE).

Las diguanilato ciclasas se caracterizan por los motivos de secuencia de aminoácidos conservados “ GGDEF ” ( Gly -Gly- Asp - Glu - Phe ) o “GGEEF” (Gly-Gly-Glu-Glu-Phe), que constituyen el dominio del sitio activo de la DGC . ^{[ 1 ]} Estos dominios se encuentran frecuentemente acoplados a otros dominios de señalización dentro de proteínas multidominio. A menudo, los dominios GGDEF con actividad DGC se encuentran en las mismas proteínas que los dominios EAL (Glu - Ala - Leu ) de la fosfodiesterasa (PDE) específica de c-di-GMP . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Se cree que la DGC solo es activa como un dímero compuesto por dos subunidades , ambas con dominios GGDEF. ^{[ 4 ]} El sitio activo (o catalítico) se encuentra en la interfaz entre las dos subunidades, cada una uniéndose a una molécula de GTP. (Véase la sección Mecanismo de activación y regulación para más información).

La débil similitud de secuencia y la marcada similitud de estructura secundaria entre los dominios GGDEF y los dominios catalíticos de las adenilato ciclasas (AC) han llevado a la hipótesis de que las DGC y las AC comparten un plegamiento similar. ^{[ 5 ]} Esto se verificó con la resolución de la estructura cristalina de la DGC PleD de Caulobacter crescentus en complejo con c-di-GMP. ^{[ 4 ]} Como se muestra en la figura, la PleD activa, mostrada como un dímero, está compuesta por el dominio catalítico DCG (etiquetado como DGC) y dos dominios receptores tipo CheY (etiquetados como D1/D2). El dominio DGC de cada subunidad está unido a los dos dominios tipo CheY por una cadena de enlace peptídico flexible. ^{[ 4 ]} El dominio DCG se asemeja mucho al dominio del núcleo catalítico de la AC que consiste en una lámina β de cinco hebras rodeada de hélices .

A mediados de 2011, se habían resuelto 11 estructuras cristalinas de DGC confirmados o putativos, con los códigos de acceso PDB PDB : 3N53 ,PDB : 3N3T ,PDB : 3MTK ,PDB : 2WB4 ,PDB : 3KZP ,PDB : 3HVA ,PDB : 3I5A ,PDB : 3IGN ,PDB : 3HVW ,PDB : 3H9W y PDB : 2R60 .

La diguanilato ciclasa participa en la formación del segundo mensajero ubicuo , c-di-GMP, involucrado en la formación y persistencia de biopelículas bacterianas . El dominio GGDEF se identificó por primera vez en la proteína reguladora, PleD de la bacteria Caulobacter crescentus . ^{[ 6 ]} Posteriormente se observó que numerosos genomas bacterianos codificaban múltiples proteínas con un dominio GGDEF. ^{[ 7 ]} Pseudomonas aeruginosa PAO1 tiene 33 proteínas con dominios GGDEF, Escherichia coli K-12 tiene 19 y Vibrio cholerae O1 tiene 41. ^{[ 8 ]} En el ciclo celular de Caulobacter crescentus , se sabe que DGC PleD controla la morfogénesis del polo . ^{[ 9 ]} En Pseudomonas fluorescens, se hipotetiza que la actividad de DGC WspR es parcialmente responsable del fenotipo de propagación arrugada (WS). ^{[ 10 ]} En Pseudomonas aeruginosa , también se sabe que WspR controla la autoagregación. ^{[ 8 ]}

Función de DGC en el ciclo celular de C. crescentus

Durante el ciclo celular de C. crescentus , las proteínas con dominios GGDEF y EAL se separan hacia los dos polos distintos. La forma activa de la diguanilato ciclasa PleD se localiza en el polo pedunculado de las células de C. crescentus en diferenciación . ^{[ 11 ]} Se ha sugerido que la función de PleD es doble. PleD es responsable de desactivar las rotaciones del flagelo e inhibir la motilidad antes de que comience la replicación del genoma y también de regenerar la motilidad una vez completada la diferenciación. ^{[ 12 ]}

La estructura cristalina de la diguanilato ciclasa de C. crescentus , PleD, contiene tres dominios: un dominio GGDEF con actividad de diguanilato ciclasa y dos dominios receptores tipo CheY (D1/D2). Como se observa en la figura, la forma activa de PleD es un dímero que se forma por fosforilación del primer dominio receptor (D1). ^{[ 4 ]} La fosforilación del dominio receptor aumenta la afinidad de dimerización aproximadamente 10 veces en comparación con los dominios no fosforilados. ^{[ 2 ] [ 13 ]}

Se cree que la inhibición de la actividad de DGC es alostérica y no competitiva . ^{[ 4 ] [ 14 ]} El di-GMP cíclico se une a la interfaz entre los dominios DGC y D2, estabilizando la estructura abierta e impidiendo la catálisis. ^{[ 15 ]} Se ha observado una fuerte inhibición del producto con una K i de 0,5 μM. ^{[ 4 ]}

Aunque el mecanismo catalítico exacto aún no se ha dilucidado, se hipotetiza que la estructura dimerizada de PleD facilita la interacción de las dos moléculas de GTP dentro del sitio activo de DGC para la ciclación. Un mecanismo propuesto por Chan et al. indica que el grupo 3'- OH del GTP es desprotonado por un residuo de ácido glutámico (E370) para permitir el ataque nucleofílico intermolecular del α- fosfato . El estado de transición pentacoordinado creado mediante este ataque nucleofílico posiblemente se estabiliza mediante un residuo de lisina (K332).