KR102092075B1 - Crystal structure of MmMVK-mevalonate complex and mevalonate kinase mutants resistant to substrate inhibition - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MmMVK-메발론산(mevalonate) 복합체의 3차원 결정 구조 및 기질저해 저항성 돌연변이 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 관한 것으로서, 본 발명자는 고세균의 메발론산 인산화효소 단백질과 기질인 메발론산 복합체의 삼차원 구조를 엑스선결정법의 방법으로 결정 분석하였다. 이 삼차원 구조에서 지금까지 알려진 기질결합자리와 다른 두 번째의 기질 결합자리를 발견하였다. 이 새로운 결합자리의 아미노산 잔기를 돌연변이 했을 때 기질농도에 따른 효소의 활성이 억제되는 자기저해에 저항성을 가지는 돌연변이 단백질을 발견하였다. 돌연변이 단백질의 효소활성분석과 삼차원 구조를 결정하였다. 새롭게 개발된 돌연변이 메발론산 인산화효소 단백질은 이소프렌 생합성 경로인 메발론산 경로에서 이소프렌 생합성의 율속단계 효소로서 이소프렌 생합성의 수율 향상에 도움을 줄 것으로 예상된다.The present invention relates to a three-dimensional crystal structure of a Mm MVK-mevalonate complex and a substrate inhibitory resistance muvalonate kinase ( Mm MVK), the inventors of which are Bacillus mevalonate phosphatase proteins and substrates. The three-dimensional structure of the mevalonic acid complex was determined and analyzed by X-ray crystallization. In this three-dimensional structure, a second substrate binding site, which is different from the known substrate binding sites, was found. When mutating the amino acid residue of this new binding site, a mutant protein was found that is resistant to self-inhibition, which inhibits the activity of the enzyme depending on the substrate concentration. The enzyme activity analysis and three-dimensional structure of the mutant protein were determined. The newly developed mutant mevalonic acid phosphatase protein is expected to help improve the yield of isoprene biosynthesis as a rate step enzyme for isoprene biosynthesis in the isoprene biosynthetic pathway, the mevalonic acid pathway.

Description

MmMVK-메발론산 복합체의 3차원 결정 구조 및 기질저해 저항성 돌연변이 메발론산 인산화효소{Crystal structure of MmMVK-mevalonate complex and mevalonate kinase mutants resistant to substrate inhibition}Three-dimensional crystal structure of MmMVK-mevalonic acid complex and substrate inhibition resistance mutant mevalonic acid phosphatase {Crystal structure of MmMVK-mevalonate complex and mevalonate kinase mutants resistant to substrate inhibition}

본 발명은 MmMVK-메발론산(mevalonate) 복합체의 3차원 결정 구조 및 기질저해 저항성 돌연변이 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 관한 것이다.The invention Mm MVK- mevalonic acid (mevalonate) 3-dimensional crystal structure and substrate inhibition-resistant mutant kinases mevalonic acid of the complex; relates to (mevalonate kinase Mm MVK).

2-메틸-1,3-뷰타다이엔으로도 공지된 이소프렌(isoprene)은 휘발성 5-탄소 탄화수소이다. 이소프렌은 미생물, 식물 및 동물 종을 포함하는 다양한 유기체에 의해 생성된다. 메발론산 경로(MVA pathway) 및 비메발론산(또는 메발론산 독립적) 경로(MEP pathway)의 이소프렌 생합성에 대한 2개의 경로가 존재한다(도 1). MVA 경로는 진핵생물, 고세균 및 고등 식물의 시토졸에 존재한다. MEP 경로는 대부분의 박테리아, 녹조류 및 고등 식물의 엽록체에서 발견된다.Isoprene, also known as 2-methyl-1,3-butadiene, is a volatile 5-carbon hydrocarbon. Isoprene is produced by a variety of organisms, including microorganisms, plant and animal species. There are two pathways for isoprene biosynthesis of the mevalonic acid pathway (MVA pathway) and the non-mevalonic acid (or mevalonic acid independent) pathway (MEP pathway) (Figure 1). The MVA pathway is present in the cytosol of eukaryotes, archaea and higher plants. The MEP pathway is found in most bacteria, green algae and chloroplasts of higher plants.

이소프렌 화합물은 생체 유래 고무의 원재료로 사용될 수 있다. 이소프렌은 아세틸CoA에서 메발론산을 거쳐 이소프렌이 생합성되는 대사경로인 메발론산 경로의 최종 산물로서 이후의 여러 생체 물질의 전구 물질로 사용되며 생체 유지에 필수 불가결한 물질이다. The isoprene compound can be used as a raw material for bio-derived rubber. Isoprene is the final product of the mevalonic acid pathway, a metabolic pathway in which isoprene is biosynthesized from acetylCoA to mevalonic acid, and is used as a precursor to various biomaterials in the future, and is an indispensable substance for bioretention.

상기 메발론산 경로에서 율속단계의 효소로 메발론산의 인산화에 관련하는 효소인 메발론산 인산화효소는 상기 이소프렌 생합성 경로에서 메발론산 하부 대사산물에 의해 효소 활성이 억제되는 피드백 억제(feedback inhibition)가 일어나는 것으로 알려졌다. 다만, 고세균인 메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei) 유래 메발론산 인산화효소는 기존에 알려진 바와 다르게 이소프렌 생합성 경로에서 메발론산 하부 대사산물에 의한 피드백 억제가 일어나지 않는다고 보고되었다(Appl Environ Microbiol. 2011 Nov; 77(21): 7772-7778).Mevalonic acid phosphatase, an enzyme related to phosphorylation of mevalonic acid as an enzyme at a rate step in the mevalonic acid pathway, is caused by feedback inhibition in which enzymatic activity is inhibited by metabolites below mevalonic acid in the isoprene biosynthetic pathway. Became known. However, it has been reported that metabolism of methalonacina mazei, an archaea bacterium, does not cause feedback suppression by a metabolite of mevalonic acid in the isoprene biosynthetic pathway, as previously known (Appl Environ Microbiol. 2011 Nov; 77 (21): 7772-7778).

PCT 공개특허 WO 2006-063752 (2006.06.22 공개)PCT published patent WO 2006-063752 (2006.06.22 published)

본 발명의 목적은 MmMVK-메발론산(mevalonate) 복합체의 3차원 결정 구조 및 기질저해 저항성 돌연변이 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)를 제공하는데 있다.An object of the present invention is Mm MVK- mevalonic acid (mevalonate) 3-dimensional crystal structure and substrate inhibition-resistant mutant kinases mevalonic acid of the complex; to provide a (mevalonate kinase Mm MVK).

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)와 메발론산(mevalonate) 기질이 결합하고 있는 MmMVK-메발론산 복합체의 3차원 결정 구조로서, 상기 메발론산(mevalonate) 기질은 MmMVK의 N-terminal 도메인과 C-terminal 도메인 사이의 힌지(hinge) 부위에 결합하고, MmMVK의 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산과 결합하는 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a three-dimensional crystal of the Mm MVK-mevalonic acid complex in which a mevalonate kinase ( Mm MVK) and a mevalonate substrate composed of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 are bound. as a structure, the mevalonic acid (mevalonate) substrate is either coupled to a hinge (hinge) region between the N-terminal domain and the C-terminal domain of Mm MVK, and selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 of Mm MVK Provides a three-dimensional structure determination of the Mm MVK-mevalonic acid complex that binds one or more amino acids.

또한, 본 발명은 상기 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정을 이용하여, 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)의 활성을 촉진하는 물질을 스크리닝하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for screening a substance that promotes the activity of a mevalonate kinase ( Mm MVK) using the three-dimensional structure determination of the Mm MVK-mevalonic acid complex.

또한, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 있어서, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열 중 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 잔기를 알라닌(alanine)으로 치환한 돌연변이 메발론산 인산화효소를 제공한다. In addition, the present invention is a mevalonate kinase ( Mm MVK) consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, any one or more selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 among the amino acid sequences of SEQ ID NO: 1 Provided is a mutant mevalonic acid phosphatase in which the amino acid residue is substituted with alanine.

또한, 본 발명은 상기 돌연변이 메발론산 인산화효소를 숙주세포에서 발현시키는 단계를 포함하는 이소프렌(isoprene) 생산방법을 제공한다.In addition, the present invention provides an isoprene production method comprising the step of expressing the mutant mevalonic acid phosphatase in a host cell.

본 발명은 MmMVK-메발론산(mevalonate) 복합체의 3차원 결정 구조 및 기질저해 저항성 돌연변이 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 관한 것으로서, 본 발명자는 고세균의 메발론산 인산화효소 단백질과 기질인 메발론산 복합체의 삼차원 구조를 엑스선결정법의 방법으로 결정 분석하였다. 이 삼차원 구조에서 지금까지 알려진 기질결합자리와 다른 두 번째의 기질 결합자리를 발견하였다. 이 새로운 결합자리의 아미노산 잔기를 돌연변이 했을 때 기질농도에 따른 효소의 활성이 억제되는 자기저해에 저항성을 가지는 돌연변이 단백질을 발견하였다. 돌연변이 단백질의 효소활성분석과 삼차원 구조를 결정하였다. 새롭게 개발된 돌연변이 메발론산 인산화효소 단백질은 이소프렌 생합성 경로인 메발론산 경로에서 이소프렌 생합성의 율속단계 효소로서 이소프렌 생합성의 수율 향상에 도움을 줄 것으로 예상된다.The present invention relates to a three-dimensional crystal structure of a Mm MVK-mevalonate complex and a substrate inhibitory resistance muvalonate kinase ( Mm MVK), the inventors of which are Bacillus mevalonate phosphatase proteins and substrates. The three-dimensional structure of the mevalonic acid complex was determined and analyzed by X-ray crystallization. In this three-dimensional structure, a second substrate binding site, which is different from the known substrate binding sites, was found. When mutating the amino acid residue of this new binding site, a mutant protein was found that is resistant to self-inhibition, which inhibits the activity of the enzyme depending on the substrate concentration. The enzyme activity analysis and three-dimensional structure of the mutant protein were determined. The newly developed mutant mevalonic acid phosphatase protein is expected to help improve the yield of isoprene biosynthesis as a rate step enzyme for isoprene biosynthesis in the isoprene biosynthetic pathway, the mevalonic acid pathway.

도 1은 이소프렌 생합성 경로를 나타낸다.
도 2는 MmMVK 대장균 발현벡터 제조 과정을 나타낸다.
도 3은 MmMVK 대장균 대량 발현 및 순수분리 정제 결과를 나타낸다.
도 4는 MmMVK 결정을 나타낸다. 마름모형다면체(b)와 직각다면체형(c) 결정의 모양.
도 5는 MmMVK 결정의 회절이미지를 나타낸다.
도 6은 MmMVK와 기질인 mevalonate 복합체의 결정과 조효소인 ATP 유사체인 AMPPNP 복합체의 결정을 유사한 결정조건에서 결정화한 복합체 결정의 회절이미지를 나타낸다.
도 7은 MmMVK apo 단백질의 삼차원 구조를 나타낸다.
도 8은 MmMVK와 mevalonate 복합체 구조를 나타낸다. N-terminal 도메인과 C-terminal 도메인 사이에 기질인 mevalonate가 결합되어 있음을 볼 수 있다.
도 9는 활성자리에 결합한 mevalonate를 나타낸다. 원래의 알려진 활성자리에 결합하고 있는 mevalonate의 구조와 분명한 전자밀도함수(Fo-Fc>3σ)를 확인할 수 있었다(오른쪽: 주변 잔기와의 수소결합을 점선으로 표시). 그리고, 활성자리의 표면에 깊게 결합돠어 있음을 볼 수 있었다(왼쪽).
도 10은 활성자리가 아닌 곳에 결합하고 있는 mevalonate의 구조를 나타낸다. 활성자리의 뒤쪽, N-terminal과 C-terminal 도메인의 hinge 부분에 결합하고 있는 mevalonate를 전자밀도함수(Fo-Fc>2.5σ)로 나타내었다(오른쪽; 수소결합은 점선, mevalonate는 노란색, MmMVK는 녹색). 활성자리 뒤쪽 표면에 결합되어 있음을 볼 수 있다(왼쪽).
도 11은 두 번째 활성자리에 결합한 mevalonate(노란색)와 apo 구조(오렌지색)와 복합체(녹색) 구조의 비교 결과를 나타낸다. mevalonate가 결합하기 전 구조와 결합한 후의 구조를 비교해보면 결합부위 부근의 아미노산 잔기의 구조에 변화가 있음을 볼 수 있다. 아미노산 잔기 Glu295와 Lys292 (빨간색 화살표로 표시)가 각각 곁사슬이 130도, 90도 만큼 회전하여 mevalonate 방향으로 움직였음을 볼 수 있었다.
도 12는 두 번째 mevalonate 결합부위의 도메인 hinge center 부분을 나타낸다.
도 13은 농도에 따른 MmMVK 효소의 초기반응속도를 나타낸다. 농도가 높아짐에 따라 15 mM 이상의 mevalonate 농도에서 초기반응속도가 감소함을 볼 수 있다.
도 14는 두 번째 기질 결합 부위의 아미노산 잔기를 나타낸다. 돌연변이 제작을 위하여 선택된 잔기를 박스(빨간색)로 표시하였다.
도 15는 MmMVK 돌연변이 단백질의 기질농도변화에 따른 효소반응속도 결과를 나타낸다. 야생형과 돌연변이 단백질의 mevalonate 농도에 따른 반응속도를 측정한 결과, 돌연변이 159/292, 295/292 와 159/292/295 세 개 돌연변이는 그 반응속도가 감소하지 않음을 볼 수 있다(위). 반응속도를 제일 높은 활성값과 기질 50 mM 일 때의 활성값을 막대그래프로 나타냈다(아래).
도 16은 야생형 MmMVK 단백질의 저농도와 고농도의 mevalonate 조건에서 결정화 결과를 나타낸다.
도 17은 돌연변이 K295A/E292A MmMVK 단백질의 저농도와 고농도 mevalonate 조건에서 결정화 결과를 나타낸다.
도 18은 MmMVK 구조의 비교 결과를 나타낸다. 두 번째 기질 결합 구조와 고농도(50 mM 기질) 결합 복합체 구조가 가장 큰 구조적인 차이를 보인다.
도 19는 MmMVK 2nd mevalonate 구조와 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조의 단백질 표면을 나타낸다. 활성자리를 비교하면 MmMVK 2nd mevalonate 구조가 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조보다 더 열린 구조인 것을 볼 수 있다. 표면적의 차이를 살펴보면 MmMVK 2nd mevalonate 구조가 426.9 Å2 더 크다(왼쪽 두 도면). 두 번째 mevalonate 결합부위를 비교하면 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조에서 결합부위가 좁아져서 mevalonate가 결합할 수 없음을 볼 수 있다(오른쪽 두 도면).
도 20은 MmMVK의 열린구조에서 닫힌구조로 구조변화를 나타낸다. C-terminal 도메인은 잘 겹쳐지지만, N-terminal 도메인은 접힙부분(초록색)을 지나는 회전축(오렌지색)에 대하여 시계반대방향으로 약 10도 회전하여 닫힌구조로 변환함을 볼 수 있다.
1 shows the isoprene biosynthetic pathway.
Figure 2 shows the production process of Mm MVK E. coli expression vector.
Figure 3 shows the results of Mm MVK E. coli mass expression and pure separation purification.
4 shows Mm MVK crystals. Rhombic polyhedron (b) and right-angled polyhedron (c) crystal shapes.
5 shows a diffraction image of Mm MVK crystals.
FIG. 6 shows a diffraction image of a complex crystal obtained by crystallizing crystals of Mm MVK and mevalonate complex as a substrate and AMPPNP complex as a coenzyme ATP analog under similar crystallization conditions.
7 shows the three-dimensional structure of the Mm MVK apo protein.
8 shows the structure of the Mm MVK and mevalonate complex. It can be seen that mevalonate, a substrate, is bound between the N-terminal domain and the C-terminal domain.
9 shows mevalonate bound to the active site. The structure of the mevalonate and the apparent electron density function (Fo-Fc> 3σ), which were originally bound to the active site, were confirmed (right: hydrogen bonds with surrounding residues are indicated by dotted lines). And, it can be seen that it is deeply bound to the surface of the active site (left).
Figure 10 shows the structure of mevalonate bound to the non-active site. The mevalonate bound to the hinge of the N-terminal and C-terminal domains at the back of the active site is represented by an electron density function (Fo-Fc> 2.5σ) (right; dotted for hydrogen bonding, yellow for mevalonate, and MmMVK for green). You can see that it is bound to the back surface of the active site (left).
11 shows a comparison result of a mevalonate (yellow) and apo structure (orange) and a complex (green) structure bound to the second active site. Comparing the structure before and after the mevalonate is bonded, it can be seen that there is a change in the structure of the amino acid residue near the binding site. It can be seen that the amino acid residues Glu295 and Lys292 (indicated by red arrows) were rotated by 130 degrees and 90 degrees, respectively, and moved in the mevalonate direction.
12 shows the hinge center of the domain of the second mevalonate binding site.
13 shows the initial reaction rate of Mm MVK enzyme according to concentration. It can be seen that as the concentration increases, the initial reaction rate decreases at a mevalonate concentration of 15 mM or more.
14 shows amino acid residues at the second substrate binding site. The residues selected for mutagenesis are marked with boxes (red).
15 is Mm MVK It shows the result of the enzyme reaction rate according to the change in the substrate concentration of the mutant protein. As a result of measuring the reaction rate according to the mevalonate concentration of wild type and mutant proteins, it can be seen that the reaction rates of the three mutations 159/292, 295/292 and 159/292/295 did not decrease (above). The highest activity value of the reaction rate and the activity value when the substrate was 50 mM were shown in a bar graph (below).
16 shows the crystallization results in the low- and high-concentration mevalonate conditions of the wild-type Mm MVK protein.
FIG. 17 shows the crystallization results under low and high concentration mevalonate conditions of the mutant K295A / E292A Mm MVK protein.
18 shows a comparison result of the Mm MVK structure. The second substrate binding structure and the high concentration (50 mM substrate) binding complex structure show the largest structural differences.
19 shows the protein surface of Mm MVK 2 nd mevalonate structure and Mm MVK + 50 mM mevalonate structure. If you compare active seats It can be seen that the Mm MVK 2 nd mevalonate structure is a more open structure than the Mm MVK + 50 mM mevalonate structure. Looking at the difference in surface area, the Mm MVK 2 nd mevalonate structure is 426.9 Å 2 larger (two figures on the left). When comparing the second mevalonate binding site, it can be seen that the binding site is narrowed in the MmMVK + 50 mM mevalonate structure, so that mevalonate cannot bind (two figures on the right).
20 shows the structural change from the open structure of the Mm MVK to the closed structure. It can be seen that the C-terminal domain overlaps well, but the N-terminal domain is converted into a closed structure by rotating about 10 degrees counterclockwise with respect to the axis of rotation (orange) passing through the fold (green).

본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)와 메발론산(mevalonate) 기질이 결합하고 있는 MmMVK-메발론산 복합체의 3차원 결정 구조로서, 상기 메발론산(mevalonate) 기질은 MmMVK의 N-terminal 도메인과 C-terminal 도메인 사이의 힌지(hinge) 부위에 결합하고, MmMVK의 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산과 결합하는 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정을 제공한다.The present invention is a three-dimensional crystal structure of an Mm MVK-mevalonic acid complex in which a mevalonate kinase ( Mm MVK) and a mevalonate substrate composed of an amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 are bound, wherein the mevalonic acid ( mevalonate) substrate Mm bonded to the hinge (hinge) region between the N-terminal domain and the C-terminal domain of Mm MVK, and in combination with any one or more amino acids selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 of Mm MVK Provides three-dimensional structure determination of MVK-mevalonic acid complex.

바람직하게는, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소는 메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei) 유래일 수 있으며, UniProt ID: Q8PW39 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the mevalonic acid phosphatase consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 may be derived from Metanosrcina mazei, and may be UniProt ID: Q8PW39, but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 MmMVK-메발론산 복합체는 단사정계의 공간 그룹(monoclinic space group)이 P212121이고, 유니트 셀 차원(unit-cell parameters)이 a=43.4 Å, b=96.55 Å, c=133.71 Å이고, α=β=γ=90°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the Mm MVK-mevalonic acid complex has a monoclinic space group of P2 1 2 1 2 1 , unit-cell parameters of a = 43.4 Å, b = 96.55 Å , c = 133.71 Å, and α = β = γ = 90 °, but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 MmMVK-메발론산 복합체는 MmMVK와 메발론산(mevalonate) 기질의 결합에 의해 열린 구조를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the Mm MVK-mevalonic acid complex may form an open structure by a combination of Mm MVK and a mevalonate substrate, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정을 이용하여, 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)의 활성을 촉진하는 물질을 스크리닝하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for screening a substance that promotes the activity of a mevalonate kinase ( Mm MVK) using the three-dimensional structure determination of the Mm MVK-mevalonic acid complex.

또한, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 있어서, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열 중 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 잔기를 알라닌(alanine)으로 치환한 돌연변이 메발론산 인산화효소 및 이의 기능적 동등물을 제공한다. In addition, the present invention is a mevalonate kinase ( Mm MVK) consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, any one or more selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 among the amino acid sequences of SEQ ID NO: 1 Provided is a mutant mevalonic acid phosphatase having an amino acid residue substituted with alanine and a functional equivalent thereof.

상세하게는, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소는 메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei) 유래일 수 있으며, UniProt ID: Q8PW39 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In detail, the mevalonic acid phosphatase consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 may be derived from metanosrcina mazei, and may be UniProt ID: Q8PW39, but is not limited thereto.

상세하게는, 상기 돌연변이 메발론산 인산화효소는 서열번호 2 또는 서열번호 3으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 서열번호 2로 이루어진 돌연변이 메발론산 인산화효소는 Lys292/Glu295 돌연변이이며, 서열번호 3으로 이루어진 돌연변이 메발론산 인산화효소는 Pro159/Lys292/Glu295 돌연변이이다.Specifically, the mutant mevalonic acid phosphatase may be made of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3, but is not limited thereto. The mutant mevalonic acid phosphatase consisting of SEQ ID NO: 2 is a Lys292 / Glu295 mutant, and the mutant mevalonic acid phosphatase consisting of SEQ ID NO: 3 is a Pro159 / Lys292 / Glu295 mutation.

상세하게는, 돌연변이 메발론산 인산화효소는 메발론산 기질저해 저항성을 갖을 수 있다.Specifically, the mutant mevalonic acid phosphatase may have mevalonic acid substrate inhibition resistance.

본 발명의 "기능적 동등물"에는 본 발명의 돌연변이 메발론산 인산화효소 중 일부 또는 전부가 치환되거나, 아미노산의 일부가 결실 또는 부가된 아미노산 서열 변형체가 상기 효소 기능을 유지하는 것 모두를 포함된다. 아미노산의 치환은 바람직하게는 보존적 치환이다. 천연에 존재하는 아미노산의 보존적 치환의 예는 다음과 같다; 지방족 아미노산(Gly,Ala, Pro), 소수성 아미노산(Ile, Leu, Val), 방향족 아미노산(Phe, Tyr, Trp), 산성 아미노산(Asp, Glu), 염기성 아미노산(His, Lys, Arg, Gln, Asn) 및 황함유 아미노산(Cys, Met). 아미노산의 결실은 바람직하게는 돌연변이 메발론산 인산화효소의 활성에 직접 관여하지 않는 부분에 위치한다.The "functional equivalent" of the present invention includes all of the amino acid sequence variants in which some or all of the mutant mevalonic acid phosphatases of the present invention are substituted, or a part of the amino acid is deleted or added to maintain the enzyme function. Substitution of amino acids is preferably conservative substitution. Examples of conservative substitutions of naturally occurring amino acids are; Aliphatic amino acids (Gly, Ala, Pro), hydrophobic amino acids (Ile, Leu, Val), aromatic amino acids (Phe, Tyr, Trp), acidic amino acids (Asp, Glu), basic amino acids (His, Lys, Arg, Gln, Asn ) And sulfur-containing amino acids (Cys, Met). The deletion of the amino acid is preferably located in a portion that is not directly involved in the activity of the mutant mevalonic acid phosphatase.

또한, 본 발명은 상기 돌연변이 메발론산 인산화효소를 숙주세포에서 발현시키는 단계를 포함하는 이소프렌(isoprene) 생산방법을 제공한다.In addition, the present invention provides an isoprene production method comprising the step of expressing the mutant mevalonic acid phosphatase in a host cell.

상기 돌연변이 메발론산 인산화효소를 숙주세포에서 발현시키는 단계는 당해 기술 분야에 공지된 기술에 따라 적절히 선택할 수 있다.The step of expressing the mutant mevalonic acid phosphatase in a host cell can be appropriately selected according to techniques known in the art.

이하에서는, 본 발명을 한정하지 않는 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다. Hereinafter, the present invention will be described in detail according to examples not limiting the present invention. It should be understood that the following examples of the present invention are only intended to embody the present invention and do not limit or limit the scope of the present invention. Therefore, from the detailed description and examples of the present invention, what can be easily inferred by experts in the technical field to which the present invention pertains is interpreted as belonging to the scope of the present invention.

<< 실험예Experimental example >>

하기의 실험예들은 본 발명에 따른 각각의 실시예에 공통적으로 적용되는 실험예를 제공하기 위한 것이다.The following experimental examples are intended to provide an experimental example commonly applied to each embodiment according to the present invention.

1. 단백질 발현과 분리 정제1. Protein expression and purification

메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei ; M. mazei) 유래 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)의 유전자는 M. mazei 게놈 DNA로부터 제한 효소 NdeI과 BamHI 자리(진한 글자)를 포함하는 프라이머 5‘-GCG CAT ATG GTT TCA TGT TCT GCG CCC-3’와 5‘-GCG GGA TCC TCA ATC GAC CTT CAA CCC-3’를 사용하여 PCR로 증폭하였다. 900 bp 크기의 PCR 산물을 아미노말단에 히스티딘 태그와 트롬빈 프로테아제 자리를(MGSSHHHHHHSSGLVLVPRGSH) 가진 단백질로 발현하기 위하여 발현 벡터 pET-28a (Novagen, Madison, Wisconsin, USA)에 삽입하였다. 발현 벡터에 삽입된 MmMVK 유전자는 DNA 서열 확인 방법으로 확인되었다. 이론적인 단백질의 분자량은 약 33.6 kDa이고 이론적인 등전점(isoelectric point)는 6.6이다. Methanosarcina mazei ; The gene of mevalonate kinase ( Mm MVK) derived from M. mazei ) is a primer 5'-GCG CAT ATG GTT TCA TGT TCT GCG containing restriction enzymes NdeI and BamHI sites (dark letters) from M. mazei genomic DNA. CCC-3 'and 5'-GCG GGA TCC TCA ATC GAC CTT CAA CCC-3' were amplified by PCR. A 900 bp PCR product was inserted into the expression vector pET-28a (Novagen, Madison, Wisconsin, USA) to express a protein with a histidine tag and a thrombin protease site (MGSSHHHHHHSHSLVLVPRGSH) at the amino terminus. The Mm MVK gene inserted into the expression vector was confirmed by a DNA sequence identification method. The theoretical molecular weight of the protein is about 33.6 kDa and the theoretical isoelectric point is 6.6.

단백질 발현을 위하여 서열이 확인된 MmMVK 발현 벡터를 대장균 BL21(DE3) 균주에 형질전환하였다. 형질 전환된 대장균을 먼저 10 ml의 Luria-Bertani (LB) 액체 배지에서 하루 밤동안 배양하고, 이를 항생제 카나마이신(30 ug/ml)이 포함된 1000 ml M9 최소 배지에 접종한 후에 섭씨 30도에서 파장 600 nm 흡광도가 0.6이 될 때까지 배양한다. 그리고 셀레노메티오닌(seleno-methionine) (Acros Organics, New Jersey, USA) 40 ug/ml과 다른 17 가지의 L-아미노산을 첨가하였다. 그리고, 0.4 mM 농도의 isopropyl β-D-1 thiogalactopyronoside (IPTG)를 사용하여 단백질 발현을 섭씨 30도에서 하루 동안 유도하였다. 하루 유도 후에 대장균을 원심분리(6000 rev/min, 6 min, 섭씨 4도)하여 수확하였다. 세균 덩어리를 결합버퍼(50 mM sodium phosphate pH 8.0, 300 mM NaCl, 5 mM β-mercaptoethanol, 1 mM MgCl2)에 고르게 섞은 후에 초음파로 파쇄하였다. 파쇄한 세균 용액을 원심분리(12000 rev/min, 1 h)한 후에 상층의 맑은 용액을 필터하고(qualitative filter paper, Advantec, Japan) 니켈-NTA 비드(bead)의 칼럼에 부어 넣었다. 먼저, 칼럼을 10 칼럼 부피의 결합버퍼로 씻은 후에 20 칼럼 부피의 세척버퍼(50 mM sodium phosphate pH 8.0, 300 mM NaCl, 30 mM imidazole, 5 mM -mercaptoethanol,1 mM MgCl2)로 씻었다. 재조합 MmMVK 단백질은 용리버퍼 (50 mM Tris-HCl pH 8.0, 100 mM NaCl, 300 mM imidazole, 5 mM -mercaptoethanol, 1 mM MgCl2)로 칼럼에서 용리하였다. 단백질을 포함하는 부분들을 SDS-PAGE로 확인하고, 이를 모아 농축한 후에 울트라필터링 농축기Corning Spin-X UF concentrator with 30K molecular-weight cutoff (Corning Inc., New York, USA)를 사용하여 버퍼를 50 mM Tris-HCl pH 8.5, 1 mM DTT, 1 mM MgCl2 로 교환하였다. 그리고, MmMVK는 음이온 교환수지 칼럼 Resource 15Q column (GE Healthcare, Piscataway, New Jersey, USA)를 사용하여 NaCl 농도 0-300 mM로 선형 변화하여 버퍼 (50 mM Tris-HCl pH 8.5, 1 mM DTT, 1 mM MgCl2)에서 분리하였다. MmMVK를 포함한 부분을 모아 같은 방법으로 농축한 후에, 마지막으로 버퍼 (20 mM Tris-HCl pH 8.0, 150 mM NaCl, 1 mM DTT, 1 mM MgCl2)에서 Superdex 200 column (GE Healthcare)를 사용한 겔크로마토그라피로 분리정제하였다. 모든 분리정제 과정은 단백질을 안정화시키는 것으로 생각되는 얼음으로 차게 한 버퍼를 사용하여 상온에서 실행하였다. 단백질의 농도는 Bradford assay (Bradford, 1976) 방법으로 결정되었다. 결정화를 위하여 히스티딘 태그는 제거하지 않았다.For protein expression, the sequence-identified MmMVK expression vector was transformed into E. coli BL21 (DE3) strain. The transformed E. coli was first cultured overnight in 10 ml of Luria-Bertani (LB) liquid medium, and then inoculated in 1000 ml M9 minimal medium containing antibiotic kanamycin (30 ug / ml), followed by wavelength at 30 degrees Celsius. Incubate until 600 nm absorbance becomes 0.6. And seleno-methionine (Acros Organics, New Jersey, USA) 40 ug / ml and 17 other L-amino acids were added. Then, protein expression was induced at 30 ° C for one day using isopropyl β-D-1 thiogalactopyronoside (IPTG) at a concentration of 0.4 mM. After one day induction, E. coli was harvested by centrifugation (6000 rev / min, 6 min, 4 degrees Celsius). The bacterial mass was evenly mixed with a binding buffer (50 mM sodium phosphate pH 8.0, 300 mM NaCl, 5 mM β-mercaptoethanol, 1 mM MgCl 2 ) and then disrupted by ultrasonic waves. After crushing the bacterial solution was centrifuged (12000 rev / min, 1 h), the clear solution of the upper layer was filtered (qualitative filter paper, Advantec, Japan) and poured into a column of nickel-NTA beads. First, the column was washed with 10 column volumes of binding buffer, followed by 20 column volumes of washing buffers (50 mM sodium phosphate pH 8.0, 300 mM NaCl, 30 mM imidazole, 5 mM -mercaptoethanol, 1 mM MgCl 2 ). Recombinant MmMVK protein was eluted in the column with elution buffer (50 mM Tris-HCl pH 8.0, 100 mM NaCl, 300 mM imidazole, 5 mM -mercaptoethanol, 1 mM MgCl 2 ). After confirming the portion containing the protein by SDS-PAGE, and collecting and concentrating it, the buffer was 50 mM using an ultrafiltering concentrator Corning Spin-X UF concentrator with 30K molecular-weight cutoff (Corning Inc., New York, USA). Tris-HCl pH 8.5, 1 mM DTT, 1 mM MgCl 2 was exchanged. And, MmMVK is an anion exchange resin column Resource 15Q column (GE Healthcare, Piscataway, New Jersey, USA) using a linear change to a NaCl concentration of 0-300 mM buffer (50 mM Tris-HCl pH 8.5, 1 mM DTT, 1 mM MgCl 2 ). After collecting the parts containing MmMVK and concentrating in the same way, finally, gel chromatography using Superdex 200 column (GE Healthcare) in buffer (20 mM Tris-HCl pH 8.0, 150 mM NaCl, 1 mM DTT, 1 mM MgCl 2 ) Separated and purified by graphi. All separation and purification procedures were performed at room temperature using ice-cold buffers believed to stabilize proteins. Protein concentrations were determined by Bradford assay (Bradford, 1976). The histidine tag was not removed for crystallization.

2. 결정화2. Crystallization

MmMVK의 결정화는 초기에 결정성장용 스크린 용액 Crystal Screen, Crystal Screen 2, Index (Hampton Research, California, USA), Wizard Screens I and II, Cryo Screens I and II (Emerald BioStructures, Bainbridge Island, Washington, USA)과 실험실 제조 용액을 사용하여 마이크로배치 결정화 방법을 섭씨 18도에서 사용하여 수행하였다. 1 μl 단백질 용액 (10 mg/ml, 20 mM Tris-HCl pH 8.0, 1 mM DTT, 1 mM MgCl2)과 1 μl 스크리닝 용액을 같이 섞어서 72-well 마이크로 플레이트에서 알스오일(Al’s oil) 아래 균등화시켰다. 처음으로 Index 용액 No. 82에서 단백질 결정이 만들어 졌다. 단백질 결정 조건을 최적화하기 위하여 염과 침전제의 농도를 변화시켜 매달린 방울 증기확산법 (hanging drop vapor diffusion method)을 사용하였다. 최상의 결정을 결정화 용액 0.32 M MgCl2, 0.08 M bis-tris pH 5.5, 16%(w/v) PEG 3350의 조건에서 얻을 수 있었다. 방울 크기는 단백질 3 μl와 결정화 용액 3 μl을 사용하였다. ATP, ADP, AMPPNP, 메발론산과의 복합체 결정은 이들을 각각 apo-MmMVK 결정에 5 mM 농도로 들어있는 용액에 결정을 1분에서 30 분정도 담근 후에 얼려서 회절 실험을 수행하였다.Crystallization of MmMVK is initially a screen solution for crystal growth Crystal Screen, Crystal Screen 2, Index (Hampton Research, California, USA), Wizard Screens I and II, Cryo Screens I and II (Emerald BioStructures, Bainbridge Island, Washington, USA) The microbatch crystallization method was performed using a laboratory-made solution at 18 degrees Celsius. 1 μl protein solution (10 mg / ml, 20 mM Tris-HCl pH 8.0, 1 mM DTT, 1 mM MgCl 2 ) and 1 μl screening solution were mixed together and equalized under Al's oil in a 72-well microplate. . First Index Solution No. Protein crystals were made at 82. In order to optimize the protein crystallization conditions, a hanging drop vapor diffusion method was used by varying the concentration of salt and precipitant. The best crystals were obtained under conditions of crystallization solution 0.32 M MgCl 2 , 0.08 M bis-tris pH 5.5, 16% (w / v) PEG 3350. The droplet size was 3 μl of protein and 3 μl of crystallization solution. For complex crystals with ATP, ADP, AMPPNP, and mevalonic acid, they were immersed in a solution containing 5 mM concentration in apo-MmMVK crystals for 1 to 30 minutes, and then frozen to perform diffraction experiments.

3. 엑스선 회절 데이터 수집과 데이터 분석3. X-ray diffraction data collection and data analysis

엑스선 회절 실험을 하기위하여 먼저 결정을 10 초 정도 저온 보존 용액 (0.32 M MgCl2, 0.08 M bis-tris pH 5.5, 17%(w/v) PEG 3350, 10% glycerol)에 담근 후에 액체 질소에 재빨리 담궈 얼린다. 엑스선 회절 실험을 대한민국 포항가속기연구소의 빔라인 5C에서 ADSC Quantum 210 CCD 검출기를 사용하여 절대온도 100도에서 수행하고 회절데이터를 수집하였다. MAD (multiple anomalous dispersion) 데이터를 수집하기 위하여 엑스선 파장 0.97947 Å (peak), 0.97954 Å (edge) and 0.97179 Å (remote)의 세 가지 파장을 사용하여 각각 180 개의 이미지를 1도의 진동각과 노출시간 1초로 데이터를 수집하였다. 모든 회절 데이터는 HKL-2000 suite (Otwinowski & Minor, 1997) 프로그램을 사용하여 분석하였다. For X-ray diffraction experiments, the crystals were first immersed in a cryopreservation solution (0.32 M MgCl 2 , 0.08 M bis-tris pH 5.5, 17% (w / v) PEG 3350, 10% glycerol) for about 10 seconds and then quickly quenched in liquid nitrogen. Soak and freeze. An X-ray diffraction experiment was performed at an absolute temperature of 100 ° C using an ADSC Quantum 210 CCD detector at beamline 5C of the Pohang Accelerator Research Center in Korea, and diffraction data was collected. In order to collect multiple anomalous dispersion (MAD) data, 180 images of each with three wavelengths of X-ray wavelengths 0.97947 Å (peak), 0.97954 Å (edge), and 0.97179 Å (remote) were used, with a vibration angle of 1 degree and an exposure time of 1 second. Data were collected. All diffraction data were analyzed using the HKL-2000 suite (Otwinowski & Minor, 1997) program.

4. 자리지정 돌연변이4. Site-directed mutation

MmMVK 특정 아미노산 잔기를 Stratagene의 자리지정 돌연변이 키트(Agilten technologies, Inc., Santa Clare, CA, USA)를 사용하여 생산자의 방법을 따라 알라닌으로 돌연변이 하였다. MmMVK의 아미노산 잔기 159, 292, 293, 295와 159/293, 159/295, 159, 292, 295/292, 그리고 159/292/295 각각 단일, 이중, 삼중 돌연변이를 만들었다.MmMVK specific amino acid residues were mutated to alanine according to the producer's method using Stratagene's site-directed mutation kit (Agilten technologies, Inc., Santa Clare, CA, USA). The amino acid residues 159, 292, 293, 295 and 159/293, 159/295, 159, 292, 295/292, and 159/292/295 of MmMVK made single, double and triple mutations, respectively.

5. 5. MmMVKMmMVK 활성 측정 Active measurement

MmMVK 효소의 활성 측정은 섭씨 30도에서 96-well 플레이트를 사용하였다. 각각의 용액은 50 mM Tris, 50 mM NaCl pH 7.6 용액 100 μl로 0.5 mM PEP, 0.5 mM DTT, 0.32 mM NADH, 10 mM MgCl2 , 5 mM ATP, 2 U of LDH, 2 U of PK를 포함하고 있다. 효소 반응은 80 nM의 정제한 MmMVK 단백질을 더하여 시작하였다. 효소 반응의 측정은 파장 340 nm의 흡광도를 측정하여 NADH의 농도를 반응의 정도로 측정하였다. 이 반응에 사용한 메발론산을 메발로락톤을 KOH와 1.5:1(mol:mol)로 섞은 후에 섭씨 37도에서 하루밤동안 반응하여 만들고 pH 7.0으로 맞추어 사용하였다.To measure the activity of the MmMVK enzyme, a 96-well plate was used at 30 degrees Celsius. Each solution contains 0.5 mM PEP, 0.5 mM DTT, 0.32 mM NADH, 10 mM MgCl 2 , 5 mM ATP, 2 U of LDH, 2 U of PK with 100 μl of 50 mM Tris, 50 mM NaCl pH 7.6 solution have. The enzymatic reaction was initiated by adding 80 nM of purified MmMVK protein. For the measurement of the enzyme reaction, the absorbance at a wavelength of 340 nm was measured to measure the concentration of NADH to the extent of the reaction. The mevalonic acid used for this reaction was mixed with KOH and 1.5: 1 (mol: mol) with KOH, reacted overnight at 37 degrees Celsius, and adjusted to pH 7.0.

6. 구조 결정 및 정밀화6. Structure determination and refinement

apo-MmMVK 단백질의 구조는 seleno-methione을 유도체를 사용하여 SAD (single anomalous dispersion)의 방법으로 구조를 결정하였다. apo-MmMVK 고해상도의 구조는 SAD에 의하여 결정된 구조를 사용하여 CCP4 program Suite의 MolRep 프로그램을 사용하여 분자치환법으로 구조를 결정하였다. 구조는 Phenix 프로그램으로 정밀화하였고, Coot 프로그램으로 수동으로 모델을 구축하였다. 수 차례의 정밀화과정과 모델 구축과정을 한 후에 R-factor가 20% 정도이며 더 이상 모델이 좋아지지 않을 때 구조를 완성한다. 최후 모델의 질은 PROCHECK 프로그램로 확인한다. ATP 혹은 ADP, 메발론산과의 복합체 구조는 분자치환법으로 apo-MmMVK 모델을 사용하여 결정하였다. 구조 정밀화와 모델 빌딩은 같은 방법으로 수행하였다.The structure of the apo-MmMVK protein was determined by the method of single anomalous dispersion (SAD) using a seleno-methione derivative. The apo-MmMVK high-resolution structure was determined by molecular substitution using the MolRep program of the CCP4 program suite using the structure determined by SAD. The structure was refined with the Phenix program, and the model was built manually with the Coot program. After several refinements and model building, the R-factor is around 20% and the structure is completed when the model no longer improves. The quality of the final model is confirmed by the PROCHECK program. The complex structure of ATP, ADP or mevalonic acid was determined using the apo-MmMVK model by molecular substitution. Structural refinement and model building were performed in the same way.

<< 실시예Example 1>  1> MmMm MVKMVK 대장균 발현벡터 제조, 대장균 대량 발현 및 순수분리 정제 E. coli expression vector production, E. coli mass expression and pure separation purification

1. One. MmMm MVKMVK 대장균 발현벡터 제조 E. coli expression vector preparation

Methanosarcina mazei 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)를 발현벡터 pET-28a에 서브클로닝하고, PCR로 유전자를 증폭한 후, 제한효소 NdeI과 BamHI으로 자른 후 벡터에 ligation하고 XL1(Blue) 균주에 형질전환하여 LB/Kan 배지에서 선별하였다. 선별된 균주는 DNA mini-prep을 하여 벡터를 준비하고 PCR과 제한효소 mapping을 통하여 벡터에 삽입된 유전자의 조각을 확인하였다(도 2). Methanosarcina mazei of After subcloning mevalonate kinase ( Mm MVK) into the expression vector pET-28a, amplifying the gene by PCR, cutting with restriction enzymes NdeI and BamHI, ligating the vector and transforming it into XL1 (Blue) strain Was selected in LB / Kan medium. The selected strain prepared the vector by DNA mini-prep and confirmed the fragment of the gene inserted in the vector through PCR and restriction enzyme mapping (FIG. 2).

2. 2. MmMm MVKMVK 대장균 대량 발현 및 순수분리 정제 E. coli mass expression and pure purification

니켈친화, 이온교환수지, 겔여과 크로마토그라피의 방법으로 MV 단백질을 순수 분리 정제할 수 있었다. 최종 분리된 단백질의 순도는 Native-PAGE와 SDS-PAGE로 확인할 수 있었다(도 3).The MV protein was purified by pure separation by nickel affinity, ion exchange resin, gel filtration chromatography. The purity of the final isolated protein was confirmed by Native-PAGE and SDS-PAGE (FIG. 3).

<< 실시예Example 2>  2> MmMm MVKMVK 결정화 및 구조 결정 Crystallization and structure determination

1. One. MmMm MVKMVK 결정화 및 X-선 회절데이터 수집 Crystallization and X-ray diffraction data collection

MmMVK 단백질을 10 mg/ml의 농도로 결정화를 시도하여 결정을 얻을 수 있었다. MmMVK 단백질은 16% PEG3350, 0.32 M MgCl2, 0.08 M Bis-Tris pH 5.5의 조건에서 hanging drop vapor diffusion 방법으로 결정화 하였다. 결정의 모양이 직각다면체형(orthogonal)과 마름모형다면체(rhombohedral)의 두 가지가 한 용액속에 생겼으나 마름모형 다면체만 성공적으로 얼려 회절데이터를 수집할 수 있었다(도 4). 마름모형다면체를 사용하여 X-선 회절데이터를 2.08 Å 해상도까지 수집하였다 (도 5).Crystallization was obtained by attempting to crystallize the Mm MVK protein at a concentration of 10 mg / ml. Mm MVK protein was crystallized by hanging drop vapor diffusion method under conditions of 16% PEG3350, 0.32 M MgCl 2 and 0.08 M Bis-Tris pH 5.5. Two crystals were orthogonal and rhombohedral in one solution, but only the rhombic polyhedron was successfully frozen to collect diffraction data (Fig. 4). X-ray diffraction data was collected up to 2.08 Å resolution using a rhombic polyhedron (FIG. 5).

또한, MmMVK와 기질인 mevalonate 복합체의 결정과 조효소인 ATP 유사체인 AMPPNP 복합체의 결정을 유사한 결정조건에서 결정화하였다. 이 복합체 결정으로부터 높은 해상도의 회절데이터를 얻을 수 있었다(도 6).In addition, crystals of Mm MVK and mevalonate complex as a substrate and AMPPNP complex as a coenzyme ATP analog were crystallized under similar determination conditions. High-resolution diffraction data could be obtained from this composite crystal (Fig. 6).

2. 2. MmMm MVKMVK 단결정의 X-선 회절데이터 및 구조 결정 X-ray diffraction data and structure determination of single crystal

(1) MmMVK apo 구조 결정 및 분석(1) Mm MVK apo structure determination and analysis

MmMVK의 삼차원 구조는 MAD (multiple anomalous dispersion) 방법으로 결정하였고, MmMVK apo 삼차원 구조를 모델링하고 삼차원 구조를 결정하였다. 최종적으로 1.91 Å 해상도로 MmMVK apo 단백질의 구조를 결정하였다(표 1). 최종 R factor는 25%이고 Ramachandran plot에서 98%의 아미노산 잔기의 구조가 허용되는 부분에 있음을 확인할 수 있었다. MmMVK 단백질은 이량체로 존재하고 있으며, 각각의 단백질 분자는 베타병풍과 알파나선 구조가 상호작용되어 있는 구조로 되어있다(도 7).The three-dimensional structure of Mm MVK was determined by the multiple anomalous dispersion (MAD) method, and the Mm MVK apo three-dimensional structure was modeled and the three-dimensional structure was determined. Finally, the structure of the Mm MVK apo protein was determined at 1.91 Å resolution (Table 1). The final R factor was 25%, and it was confirmed from the Ramachandran plot that 98% of the amino acid residue structure was in an acceptable portion. The Mm MVK protein exists as a dimer, and each protein molecule has a structure in which a beta screen and an alpha helix structure interact (FIG. 7).

  Se-MetSe-Met NativeNative  DataData peakpeak edgeedge remoteremote Space groupSpace group P21212P21212 P21212P21212 Unit-cell parameters
(Å)
Unit-cell parameters
(Å)
a  = 97.11, b = 135.915, c = 46.03,
α = β = γ = 90˚
a = 97.11, b = 135.915, c = 46.03,
α = β = γ = 90˚
a = 97.295, b = 135.359, c = 45.867, α = β = γ = 90˚ a = 97.295, b = 135.359, c = 45.867, α = β = γ = 90˚
Distance (mm)Distance (mm) 310310 280280 Exposure time (S)Exposure time (S) 1One 1One OscillationOscillation 1One 1One No. of imagesNo. of images 180180 180180 Wavelength (Å)Wavelength (Å) 0.979470.97947 0.979540.97954 0.971790.97179 0.979450.97945 energy (eV)energy (eV) 12658.412658.4 12657.412657.4 12758.412758.4 12658.612658.6 Resolution (Å)Resolution (Å) 50 - 2.08
(2.12 - 2.08)
50-2.08
(2.12-2.08)
50 - 2.08
(2.12 - 2.08)
50-2.08
(2.12-2.08)
50 - 2.08
(2.12 - 2.08)
50-2.08
(2.12-2.08)
40 - 1.91
(1.94 - 1.91)
40-1.91
(1.94-1.91)
Unique reflectionsUnique reflections 37136 (1420)37136 (1420) 37243 (1019)37243 (1019) 38177 (1847)38177 (1847) 47072 (1688)47072 (1688) Completeness (%)Completeness (%) 98.5 (76.8)98.5 (76.8) 97.4 (53.7)97.4 (53.7) 99.7 (98.4)99.7 (98.4) 97.8 (72.2)97.8 (72.2) Rmerge (%)Rmerge (%) 8.5 (63.3)8.5 (63.3) 7.7 (82.1)7.7 (82.1) 7.4 (0.0)7.4 (0.0) 9.3 (70.9)9.3 (70.9) RedundancyRedundancy 7.1 (6.2)7.1 (6.2) 7.1 (5.8)7.1 (5.8) 7.1 (5.7)7.1 (5.7) 6. 9 (5.9)6. 9 (5.9) I/s (I)I / s (I) 13.713.7 12.412.4 10.8 (12.6)10.8 (12.6) 14.4 (13.6)14.4 (13.6) Figure of meritbFigure of meritb 0.51/0.680.51 / 0.68 RefinementRefinement Resolution (Å)c Resolution (Å) c 40.93 - 1.91
(1.94 - 1.91)
40.93-1.91
(1.94-1.91)
R work / R free (%)d R work / R free (%) d 25.3/30.225.3 / 30.2 No. of nonhydrogen atomsNo. of nonhydrogen atoms 47104710 No. of water moleculesNo. of water molecules 166166 Magnesium ionsMagnesium ions 22 root mean square deviationsroot mean square deviations Bond length (Å)Bond length (Å) 0.0230.023 Bond angle (Å)Bond angle (Å) 1.951.95 Average B factor (Å2)Average B factor (Å 2 ) ProteinProtein 41.52341.523 WaterWater 43.14643.146 Magnesium ionsMagnesium ions 34.534.5 Ramachandran ploteRamachandran plote Most favorable residures (%)Most favorable residures (%) 92.592.5 Additional allowed residues (%)Additional allowed residues (%) 6.96.9 Generously allowed residues (%)Generously allowed residues (%)       0.60.6

(2) MmMVK-mevalonate 복합체 구조의 결정(2) Determination of Mm MVK-mevalonate complex structure

MmMVK와 기질인 mevalonate와의 복합체 구조를 해상도 1.4 Å 해상도로 결정하였다(표 2). 이 복합체 구조에서 N-terminal 도메인(1-156)과 C-terminal 도메인(157-301) 사이에 위치하는 활성자리에 기질인 mevalonate가 결합되어 있음을 전자밀도를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, 특이하게도 활성자리가 아닌 곳에 두 번째의 mevalonate가 결합되어 있음을 볼 수 있었다(도 8). The complex structure of Mm MVK and the substrate mevalonate was determined at a resolution of 1.4 Å resolution (Table 2). In this complex structure, it was confirmed through electron density that the substrate mevalonate was bound to the active site located between the N-terminal domain (1-156) and the C-terminal domain (157-301). In addition, it was found that the second mevalonate is bound to the non-active site (Fig. 8).

  ApoApo MEV complexMEV complex Data collectionData collection BeamlineBeamline PAL-5CPAL-5C PAL-7APAL-7A Space groupSpace group P21212P2 1 2 1 2 P21212P2 1 2 1 2 Unit-cell parameters (Å)Unit-cell parameters (Å) a = 97.295,a = 97.295, a = 43.4,a = 43.4, b = 135.359,b = 135.359, b = 96.55,b = 96.55, c = 45.867, c = 45.867, c = 133.71, c = 133.71, α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° α = β = γ = 90˚α = β = γ = 90˚ Distance (mm)Distance (mm) 280280 160160 Exposure time (S)Exposure time (S) 1One 1One OscillationOscillation 1One 0.30.3 No. of imagesNo. of images 180180 740740 Wavelength (Å)Wavelength (Å) 0.979450.97945 0.979330.97933 energy (eV)energy (eV) 12658.612658.6 1266012660 Resolution (Å)Resolution (Å) 40 - 1.91
(1.94 - 1.91)
40-1.91
(1.94-1.91)
50 - 1.40
(1.42-1.40)
50-1.40
(1.42-1.40)
Unique reflectionsUnique reflections 47072 (1688)47072 (1688) 110905 (5400)110905 (5400) Completeness (%)Completeness (%) 97.8 (72.2)97.8 (72.2) 99.4 (98.6)99.4 (98.6) Rmerge(%) a R merge (%) a 9.3 (70.9)9.3 (70.9) 7.4 (70.1)7.4 (70.1) RedundancyRedundancy 6. 9 (5.9)6. 9 (5.9) 8.5 (6.9)8.5 (6.9) I/s (I)I / s (I) 14.4 (13.6)14.4 (13.6) 11.411.4 RefinementRefinement     Resolution (Å) b Resolution (Å) b 40.9 - 1.9240.9-1.92 26.5 -1.4026.5 -1.40 Rwork/Rfree(%) c R work / R free (%) c 25.3/30.125.3 / 30.1 20.3/23.120.3 / 23.1 No. of nonhydrogen atomsNo. of nonhydrogen atoms 47104710 51545154 No. of water moleculesNo. of water molecules 166166 528528 magnesium ionsmagnesium ions 22 22 Mevalonate Mevalonate 33 root mean square deviationsroot mean square deviations Bond length (Å)Bond length (Å) 0.0230.023 0.0280.028 Bond angle (°)Bond angle (°) 1.961.96 2.4432.443 Average B factor (Å2)Average B factor (Å 2 ) ProteinProtein 40.9540.95 20.0620.06 WaterWater 43.1343.13 31.9931.99 Magnesium ionsMagnesium ions 38.3638.36 21.8121.81 MEVMEV 31.0831.08 Ramachandran plot (%) d Ramachandran plot (%) d Residues in favoured regionsResidues in favored regions 92.592.5 98.198.1 Residues in allowed regionsResidues in allowed regions 6.96.9 1.91.9 Residues in outlier regionsResidues in outlier regions 0.60.6 00

(3) 새로운 mevalonate 결합 부위(3) New mevalonate binding site

이 복합체 구조에서 mevalonate는 두 개가 결합되어 있는데, 원래의 잘 알려진 활성자리에 결합하고 있는 것과 특이하게도 활성자리가 아닌 원래 활성자리의 뒷 부분에 결합되어 있는 것이 발견되었다(도 9 및 도 10). 활성자리가 아닌 곳에 결합하고 있는 mevalonate는 N-terminal 도메인과 C-terminal 도메인의 뒷부분으로 각각의 도메인이 움직일 수 있는 hinge 부위에 결합되어 있음을 볼 수 있었다(도 11 및 도 12).In this complex structure, two mevalonates are bound, and it was found that they are bound to the original well-known active site and, specifically, to the back of the original active site rather than the active site (FIGS. 9 and 10). The mevalonate bound to the non-active site was found to be attached to the hinge region where each domain can move to the back of the N-terminal domain and the C-terminal domain (FIGS. 11 and 12).

두 번째 결합부위의 구조를 Apo와 복합체 구조사이를 겹쳐 비교했을 때, mevalonate 결합에 의하여 Glu256, Lys292 두 개의 잔기의 구조가 변화하였음을 볼 수 있었다. MmMVK의 두 번째 mevalonate 결합부위는 열린구조와 닫힌구조로 변화하는 interdoamin hinge와 거의 일치하고 있다. 따라서, 두 번째 mevalonate 결합이 hinge 부분의 움직임과 상관관계가 있을 것으로 추측된다.When overlapping and comparing the structure of the second binding site between Apo and the complex structure, it was found that the structure of two residues, Glu256 and Lys292, was changed by mevalonate binding. The second mevalonate joint of MmMVK is almost identical to the interdoamin hinge, which changes to open and closed structures. Therefore, it is assumed that the second mevalonate bond is correlated with the movement of the hinge.

<< 실시예Example 3>  3> MmMVK의MmMVK 두 번째 기질 결합 부위의 돌연변이  Mutation of the second substrate binding site 및 기질And temperament 저해에 대한 구조적 변화 및 메커니즘 분석 Structural change and mechanism analysis for inhibition

결정된 MmMVK와 mevalonate 기질 복합체 구조에서 기존에 알려진 활성자리가 아닌 두 번째 기질 분자가 결합한 것을 알게 되었다. 이 두 번째 결합자리의 기질 결합에 MmMVK의 효소활성에 대한 변화를 분석하기 위해서 이 부위 결합에 주요한 아미노산 잔기를 자리지정 돌연변이를 사용하여 찾아내고 이 부위의 돌연변이 단백질을 제조하여 MmMVK 효소활성의 변화를 분석하였다.In the determined Mm MVK and mevalonate substrate complex structure, it was found that a second substrate molecule, which is not a known active site, is bound. In order to analyze the change in the enzyme activity of Mm MVK in the substrate binding of the second binding site, a key amino acid residue is found in this site binding using a site-directed mutation, and a mutant protein of this site is prepared to obtain the Mm MVK enzyme activity. Changes were analyzed.

1. 두 번째 기질 결합 부위의 발견1. Discovery of the second substrate binding site

MmMVK와 mevalonate의 구조 분석을 통하여 기질인 mevalonate가 기존의 알려진 결합 부위가 아닌 그 반대편에 결합하여 있음을 발견하였다. 이 새로운 mevalonate 결합 부위는 MmMVK 효소의 조절작용과 연관이 있을 것으로 생각되었다. Through the structural analysis of Mm MVK and mevalonate, it was found that mevalonate, a substrate, binds to the opposite side of the known binding site. This new mevalonate binding site was thought to be associated with the modulatory action of the Mm MVK enzyme.

2. 2. MmMm MVK의MVK's 기질 활성 저해 Substrate activity inhibition

MmMVK의 활성을 기질의 농도에 따른 활성의 변화를 측정하였다. 그런데, 특이한 것은 MmMVK의 활성이 기질의 농도가 증가함에 따라 증가하다가 어떤 농도 이상이 되면 활성이 다시 감소함을 볼 수 있었다(도 13). 즉, 기질인 mevalonate의 농도가 15 mM 이상이 되면 활성이 감소함을 볼 수 있었다. 이것은 MmMVK 효소 활성이 기질의 특정 농도 이상에서 기질에 의한 자기저해(self-inhibition)에 의해서 활성 저해가 일어남을 가리킨다. 이런 자기활성저해를 삼차원 구조와 관련하여 분석하면 삼차원 구조에서 관찰된 바와 같이 두 번째 mevalonate 결합 때문에 활성의 저해가 일어날 수 있음을 암시한다. 열린상태에서 닫힌상태로 변화하여야 하는데 높은 농도에서 두 번째 결합자리의 기질의 결합에 의해서 닫힌상태로 전환하지 못해 효소 활성이 저해되지 않을까 생각된다. 자기저해에 대하여 두 번째 기질 결합 부위에 결합하는 기질이 관련되어 있을 것으로 생각되어 그 상관관계를 찾기 위해서 두 번째 결합 부위 아미노산의 자리지정 돌연변이 제작 및 효소 활성 분석 그리고 삼차원 구조 연구를 수행하였다.The activity of Mm MVK was measured according to the concentration of the substrate. By the way, it was observed that the activity of Mm MVK increases as the concentration of the substrate increases, but when it reaches a certain concentration or more, the activity decreases again (FIG. 13). That is, it can be seen that the activity decreases when the concentration of mevalonate as a substrate becomes 15 mM or more. This indicates that Mm MVK enzyme activity is inhibited due to self-inhibition by the substrate at a specific concentration above the substrate. Analysis of this inhibition of self-activity suggests that inhibition of activity may occur due to the second mevalonate binding, as observed in the three-dimensional structure. It should be changed from the open state to the closed state, but it is thought that the enzyme activity is inhibited because it cannot convert to the closed state by binding of the substrate at the second binding site at a high concentration. For self-inhibition, the substrate binding to the second substrate binding site was thought to be related, and in order to find the correlation, a site-directed mutagenesis of the second binding site amino acid, enzyme activity analysis, and three-dimensional structure study were performed.

3. 3. MmMm MVK의MVK's 기질 활성 저해 Substrate activity inhibition

이 두 번째 기질 결합 부위에서 mevalonate와 상호작용하는 아미노산 잔기 중에서 Pro159, Lys292, Pro293, Glu295를 선택하여 각각 alanine 잔기로 치환하는 단일자리 돌연변이와 Pro159Ala Lys292Ala, Pro159Ala Pro293Ala, Pro159Ala E295Ala, Lys292Ala Glu295Ala 이중돌연변이 그리고 Pro159Ala Lys292Ala Glu295Ala 삼중돌연변이를 자리지정 돌연변이 방법으로 제작하고, 각각의 돌연변이를 벡터 DNA 서열을 읽어 확인하였다(도 14). 그리고 이 각각의 돌연변이 단백질을 발현하여 순수분리정제 하였다. Among the amino acid residues interacting with mevalonate at this second substrate binding site, single-single mutations that select Pro159, Lys292, Pro293, and Glu295 to replace with alanine residues, and Pro159Ala Lys292Ala, Pro159Ala Pro293Ala, Pro159Ala E295Ala, Lys292Ala Glu295Ala double mutation and Pro159 Lys292Ala Glu295Ala triple mutations were prepared by a site-directed mutagenesis method, and each mutation was confirmed by reading a vector DNA sequence (FIG. 14). Then, each of these mutant proteins was expressed and purified purely.

4. 두 번째 기질 결합 부위 돌연변이의 효소 활성 분석4. Enzyme activity analysis of the second substrate binding site mutation

두 번째 기질 결합 부위와 효소의 자기저해와 관련이 있음을 확인하기 위해서 야생형 단백질과 각각의 돌연변이 단백질을 사용하여 효소의 활성을 측정하였다(도 15). 도 15에서 보는 바와 같이, 야생형과 단일돌연변이 일부 이중돌연변이에서는 기질의 농도가 증가함에 따라 그 초기반응속도가 감소함을 볼 수 있지만, 이중돌연변이 P159A/K292A, E295A/K292A와 삼중돌연변이 P159A/E295A/K292A는 그 초기반응속도가 감소하지 않음을 볼 수 있었다. 따라서, 이와같은 돌연변이 단백질의 활성 측정으로부터 두 번째 mevalonate 결합부위가 효소의 자기저해와 관련이 있다는 것을 알 수 있다. In order to confirm that the second substrate binding site and the enzyme self-inhibition are related, the activity of the enzyme was measured using wild-type protein and each mutant protein (FIG. 15). As can be seen in Figure 15, in the wild type and single mutant, in some double mutants, it can be seen that the initial reaction rate decreases as the concentration of the substrate increases, but the double mutants P159A / K292A, E295A / K292A, and the triple mutants P159A / E295A / K292A showed that the initial reaction rate did not decrease. Therefore, it can be seen from the measurement of the activity of the mutant protein that the second mevalonate binding site is related to the enzyme self-inhibition.

5. 고농도의 기질과 저농도의 기질 상태에서 5. In the state of high concentration and low concentration of substrate MmMVKMmMVK 효소의 구조 결정 및 분석 Structure determination and analysis of enzymes

MmMVK는 높은 기질 농도(15 mM 이상)에서 효소활성이 감소한다는 결과를 바탕으로 기질에 의한 저해작용이 있을 것으로 추측하고, 특히 두 번째 기질 결합이 이와 관련되어 있을 것으로 예상되어 두 번째 기질 결합과 효소의 활성저해에 대한 기작을 규명하기 위해서 저농도와 고농도의 mevalonate를 사용하여 MmMVK 구조 분석 연구를 수행하였다. Mm MVK is expected to have an inhibitory action by a substrate based on the result of a decrease in enzymatic activity at a high substrate concentration (15 mM or more), and in particular, the second substrate binding is expected to be related to the second substrate binding. In order to elucidate the mechanism of activity inhibition of enzymes, a structural analysis study of Mm MVK was performed using low and high concentrations of mevalonate.

(1) MmMVK 야생형 단백질의 재 결정화(1) Recrystallization of Mm MVK wild type protein

야생형 MmMVK 단백질을 저농도와 고농도의 mevalonate와 복합체 구조를 결정하기 위해서 저농도로 5mM mevalonate, 고농도로 50 mM mevalonate를 사용하여 복합체 결정을 만들었다(도 16). In order to determine the complex structure of the wild-type MmMVK protein with low and high concentrations of mevalonate, complex crystals were made using 5 mM mevalonate at a low concentration and 50 mM mevalonate at a high concentration (FIG. 16).

(2) MmMVK 돌연변이 K295A/E292A 단백질의 결정화(2) Crystallization of Mm MVK mutant K295A / E292A protein

야생형과 같은 방법으로 돌연변이 단백질 K295A/E292A 단백질을 저농도와 고농도의 mevalonate를 사용하여 단백질 결정을 만들었다(도 17).In the same way as in the wild type, the mutant protein K295A / E292A protein was made using low and high concentrations of mevalonate to make protein crystals (FIG. 17).

(3) 야생형과 돌연변이 MmMVK와 저농도 및 고농도 mevalonate 결정의 회절데이터 모음(3) Diffraction data collection of wild type and mutant Mm MVK and low and high concentration mevalonate crystals

야생형과 돌연변이 MmMVK와 저농도 및 고농도 mevalonate 복합체 결정을 사용하여 X-선 회절실험을 수행하여 총 24 개의 회절데이터를 모았다. 그 회절 결과와 통계는 표 3과 같다.A total of 24 diffraction data were collected by performing an X-ray diffraction experiment using wild type and mutant Mm MVK and low and high concentration mevalonate complex crystals. Table 3 shows the diffraction results and statistics.

  seWT_AposeWT_Apo WT_5 mM ATPWT_5 mM ATP WT_2nd MEVWT_2nd MEV WT_5mM MEVWT_5mM MEV WT_50 mM MEV10 mM AMPWT_50 mM MEV10 mM AMP 295_5mM MEV295_5mM MEV Data collectionData collection BeamlineBeamline PAL-5CPAL-5C PAL-5CPAL-5C PAL-7APAL-7A PAL-7APAL-7A PAL-7APAL-7A PAL-7APAL-7A Space groupSpace group P21212 P2 1 2 1 2 P21212 P2 1 2 1 2 P212121P212121 P21212 P2 1 2 1 2 C2C2 P21212 P2 1 2 1 2 Unit-cell parameters (Å)Unit-cell parameters (Å) a = 97.11,a = 97.11, a = 97.29,a = 97.29, a = 43.4,a = 43.4, a = 97.27,a = 97.27, a = 97.29,a = 97.29, a = 97.29,a = 97.29, b = 135.92,b = 135.92, b = 135.36,b = 135.36, b = 96.55,b = 96.55, b = 134.01,b = 134.01, b = 135.36,b = 135.36, b = 135.36,b = 135.36, c = 46.03, c = 46.03, c = 45.87, c = 45.87, c = 133.71, c = 133.71, c = 44.61, c = 44.61, c = 45.87, c = 45.87, c = 45.87, c = 45.87, α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° α=β=γ=90˚α = β = γ = 90˚ α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° α = β = γ = 90°α = β = γ = 90 ° Wavelength (Å)Wavelength (Å) 0.979470.97947 0.979450.97945 0.979330.97933 1One 1One 1One Resolution (Å)Resolution (Å) 50 - 2.08 (2.16 - 2.08)50-2.08 (2.16-2.08) 40 - 1.91 (1.94 - 1.91)40-1.91 (1.94-1.91) 50 - 1.40 (1.42-1.40)50-1.40 (1.42-1.40) 50 - 1.64 (1.70 - 1.64)50-1.64 (1.70-1.64) 50 - 2.33 (2.42 - 2.33)50-2.33 (2.42-2.33) 50 - 2.25 (2.32 - 2.25)50-2.25 (2.32-2.25) Unique reflectionsUnique reflections 37064 (3509)37064 (3509) 37064 (3504)37064 (3504) 110281 (10897)110281 (10897) 68913 (1252)68913 (1252) 25263 (2477)25263 (2477) 28218 (699)28218 (699) Completeness (%)Completeness (%) 98.5 (76.8)98.5 (76.8) 99.18 (95.8)99.18 (95.8) 98.9 (98.8)98.9 (98.8) 95.9 (94.6)95.9 (94.6) 99.3 (96.7)99.3 (96.7) 96.1 (93.0)96.1 (93.0) Rmerge(%) a R merge (%) a 8.5 (63.3)8.5 (63.3) 9.3 (70.9)9.3 (70.9) 7.4 (70.1)7.4 (70.1) 62.6 (67.3)62.6 (67.3) 58.9 (86.3)58.9 (86.3) 33.7 (35.6)33.7 (35.6) RedundancyRedundancy 7.1 (6.2)7.1 (6.2) 6. 9 (5.9)6. 9 (5.9) 8.5 (6.9)8.5 (6.9) 10.5 (11.7)10.5 (11.7) 11.1 (9.4)11.1 (9.4) 7.1 (7.2)7.1 (7.2) I/s (I)I / s (I) 13.713.7 14.4 (13.6)14.4 (13.6) 11.411.4 248.03 (117.95)248.03 (117.95) 164.58 (14.75)164.58 (14.75) 75.11 (48.58)75.11 (48.58) RefinementRefinement             Resolution (Å) b Resolution (Å) b 45.7 - 2.08 (2.11 -2 .08)45.7-2.08 (2.11 -2 .08) 40.9 - 1.91 (1.95 - 1.91)40.9-1.91 (1.95-1.91) 26.5 -1.40 (1.42 - 1.39)26.5 -1.40 (1.42-1.39) 33.0 - 1.64 (1.66 - 1.64)33.0-1.64 (1.66-1.64) 37.7 - 2.33 (2.38 - 2.33)37.7-2.33 (2.38-2.33) 33.09 - 2.25 (2.33 - 2.25)33.09-2.25 (2.33-2.25) Rwork/Rfree(%) c R work / R free (%) c 20.12/26.8720.12 / 26.87 18.6/23.918.6 / 23.9 18.2/20.918.2 / 20.9 24.54/27.7924.54 / 27.79 17.39/24.9117.39 / 24.91 18.25/25.818.25 / 25.8 No. of nonhydrogen atomsNo. of nonhydrogen atoms 46374637 48794879 52125212 45034503 45984598 47294729 No. of water moleculesNo. of water molecules 8888 333333 553553 00 178178 191191 Cl- ionsCl - ions 22 44 -- 22 -- 44 Mevalonate Mevalonate -- -- 33 -- 22 -- root mean square deviationsroot mean square deviations Bond length (Å)Bond length (Å) 0.0070.007 0.0070.007 0.0160.016 0.0070.007 0.0080.008 0.0080.008 Bond angle (°)Bond angle (°) 1.051.05 1.071.07 1.711.71 1.11.1 1.041.04 1.231.23 Average B factor (Å2)Average B factor (Å 2 ) ProteinProtein 55.655.6 44.444.4 2525 27.727.7 4343 37.337.3 WaterWater 53.553.5 51.851.8 37.237.2 -- 43.743.7 3737 Cl- ionsCl - ions 54.354.3 49.249.2 -- 57.657.6 -- 42.642.6 MEVMEV -- -- 47.247.2 -- 44.344.3 -- Ramachandran plot (%) d Ramachandran plot (%) d Residues in faoured regionsResidues in faoured regions 9797 9898 9898 9797 9898 9898 Residues in allowed regionsResidues in allowed regions 2.72.7 22 22 2.32.3 22 1.81.8 Residues in outlier regionsResidues in outlier regions 0.30.3 00 00 0.70.7 00 0.20.2

(4) 야생형과 돌연변이 MmMVK와 저농도(5 mM) 및 고농도(50 mM) mevalonate 복합체 구조의 비교(4) Comparison of wild type and mutant Mm MVK with low (5 mM) and high (50 mM) mevalonate complex structures

결정된 각각의 구조를 살펴보면, 저농도의 mevalonate 결정 구조에서는 mevalonate가 결합되어 있지 않았다. 고농도의 mevalonate 복합체 구조에서는 mevalonate가 결합되어 있음을 볼 수 있었다. ATP 유사화합물인 AMPPNP 혹은 ATP의 결합을 볼 수 없었다. 돌연변이 K295A 구조는 야생형과 유사하였다.Looking at each determined structure, mevalonate was not bound in the low-concentration mevalonate crystal structure. It was found that mevalonate is bound in the high-concentration mevalonate complex structure. The binding of ATP-like compounds AMPPNP or ATP could not be seen. The mutant K295A structure was similar to the wild type.

MmMVK apo, MmMVK+5 mM ATP, MmMVK+5 mM mevalonate, MmMVK+ 50 mM mevalonate 복합체 구조를 MmMVK 2nd mevalonate 구조에 겹쳐 비교했을 때, 그 구조의 주사슬의 rmsd 차이는 표 4에서와 같이 고농도 기질 복합체가 가장 큰 구조적인 차이를 보인다(도 18). When the Mm MVK apo, Mm MVK + 5 mM ATP, Mm MVK + 5 mM mevalonate, and Mm MVK + 50 mM mevalonate complex structures were overlaid on the Mm MVK 2 nd mevalonate structure, the difference in rmsd of the main chain of the structure was shown in Table 4. As shown, the high-concentration substrate complex shows the largest structural difference (FIG. 18).

MmMVK 2 nd mevalonate 구조에 겹침 Mm MVK 2 nd overlapping mevalonate structure rmsd 값 (주사슬만 비교)rmsd value (main chain only comparison) MmMVK apo Mm MVK apo 0.538 Å0.538 Å MmMVK + 5 mM ATP Mm MVK + 5 mM ATP 0.545 Å0.545 Å MmMVK + 5 mM mevalonate Mm MVK + 5 mM mevalonate 0.615 Å0.615 Å MmMVK + 50 mM mevalonate Mm MVK + 50 mM mevalonate 1.192 Å1.192 Å

(5) MmMVK의 열린(open) 구조와 닫힌(closed) 구조(5) Open and closed structures of Mm MVK

MmMVK 2nd mevalonate 구조와 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조를 비교했을 때, C-terminal 도메인은 차이가 거의 없지만 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조의 N-terminal 도메인은 MmMVK 2nd mevalonate 구조보다 더 mevalonate 결합부위 쪽으로 움직인 것을 확인할 수 있었다(도 19). Mm MVK 2 nd mevalonate structure and Mm MVK + 50 mM as compared to a mevalonate structure, C-terminal domain, but little difference Mm MVK + 50 mM N-terminal domain of the mevalonate structure is more mevalonate than Mm MVK 2 nd mevalonate structure It was confirmed that the movement toward the coupling site (Fig. 19).

이들 도메인 움직임을 살펴보면 MmMVK 2nd mevalonate 구조의 N-terminal 도메인이 아미노잔기 6-7, 32-33, 85-93, 144-145, 297-298의 접히는 잔기를 지나가는 회전축에 대하여 약 9.7도의 회전에 의하여 MmMVK + 50 mM mevalonate 구조의 N-terminal 도메인과 겹쳐짐을 확인할 수 있었다(도 20).Looking at these domain movements, the N-terminal domain of the Mm MVK 2 nd mevalonate structure is rotated about 9.7 degrees about the axis of rotation passing through the folding residues of amino residues 6-7, 32-33, 85-93, 144-145, 297-298. By the Mm MVK + 50 mM mevalonate structure of the N-terminal domain and overlap was confirmed (Fig. 20).

MmMVK 2nd mevalonate 구조는 열린 구조로 두 번째 mevalonate 결합 부위가 회전하는 접힘부위와 인접하고 있는데, 이 부분에 mevalonate가 결합됨으로써 닫힌 구조로 변하지 않는 것으로 생각된다. The Mm MVK 2 nd mevalonate structure is an open structure, and the second mevalonate binding site is adjacent to the rotating fold, and it is thought that the mevalonate is bound to the closed structure by binding to this part.

MmMVK 2nd mevalonate 구조는 열린구조이고, MmMVK + 50 mM mevalonate 구조는 닫힌 구조이다. 열린 구조는 효소활성이 낮고, 닫힌구조가 효소활성이 높다. The Mm MVK 2 nd mevalonate structure is an open structure, and the Mm MVK + 50 mM mevalonate structure is a closed structure. The open structure has low enzyme activity and the closed structure has high enzyme activity.

따라서, MmMVK는 기질결합에 따라 열린구조에서 닫힌구조로 변환하여 높은 효소활성을 가지게 되는데, 이러한 구조적인 변화가 못 일어나게 되면 효소활성이 낮고 효소작용이 되지 않는다.Therefore, Mm MVK has high enzymatic activity by converting from an open structure to a closed structure according to the substrate binding. When this structural change does not occur, the enzyme activity is low and the enzyme does not function.

<110> INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION GYEONGSANG NATIONAL UNIVERSITY <120> Crystal structure of MmMVK-mevalonate complex and mevalonate kinase mutants resistant to substrate inhibition <130> ADP-2018-0394 <160> 3 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 1 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His 1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg 20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln 35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala 50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu 65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala 85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe 100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile 115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe 130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Pro Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile 180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln 195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val 210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu 260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val 275 280 285 Thr Ile Thr Lys Pro Thr Glu Gln Gly Leu Lys Val Asp 290 295 300 <210> 2 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 2 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His 1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg 20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln 35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala 50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu 65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala 85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe 100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile 115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe 130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Pro Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile 180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln 195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val 210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu 260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val 275 280 285 Thr Ile Thr Ala Pro Thr Ala Gln Gly Leu Lys Val Asp 290 295 300 <210> 3 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 3 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His 1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg 20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln 35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala 50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu 65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala 85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe 100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile 115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe 130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Ala Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile 180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln 195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val 210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu 260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val 275 280 285 Thr Ile Thr Ala Pro Thr Ala Gln Gly Leu Lys Val Asp 290 295 300 <110> INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION GYEONGSANG NATIONAL          UNIVERSITY <120> Crystal structure of MmMVK-mevalonate complex and mevalonate          kinase mutants resistant to substrate inhibition <130> ADP-2018-0394 <160> 3 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 1 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His   1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg              20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln          35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala      50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu  65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala                  85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe             100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile         115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe     130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Pro Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu                 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile             180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln         195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val     210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile                 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu             260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val         275 280 285 Thr Ile Thr Lys Pro Thr Glu Gln Gly Leu Lys Val Asp     290 295 300 <210> 2 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 2 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His   1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg              20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln          35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala      50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu  65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala                  85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe             100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile         115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe     130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Pro Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu                 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile             180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln         195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val     210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile                 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu             260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val         275 280 285 Thr Ile Thr Ala Pro Thr Ala Gln Gly Leu Lys Val Asp     290 295 300 <210> 3 <211> 301 <212> PRT <213> Methanosarcina mazei <400> 3 Met Val Ser Cys Ser Ala Pro Gly Lys Ile Tyr Leu Phe Gly Glu His   1 5 10 15 Ala Val Val Tyr Gly Glu Thr Ala Ile Ala Cys Ala Val Glu Leu Arg              20 25 30 Thr Arg Val Arg Ala Glu Leu Asn Asp Ser Ile Thr Ile Gln Ser Gln          35 40 45 Ile Gly Arg Thr Gly Leu Asp Phe Glu Lys His Pro Tyr Val Ser Ala      50 55 60 Val Ile Glu Lys Met Arg Lys Ser Ile Pro Ile Asn Gly Val Phe Leu  65 70 75 80 Thr Val Asp Ser Asp Ile Pro Val Gly Ser Gly Leu Gly Ser Ser Ala                  85 90 95 Ala Val Thr Ile Ala Ser Ile Gly Ala Leu Asn Glu Leu Phe Gly Phe             100 105 110 Gly Leu Ser Leu Gln Glu Ile Ala Lys Leu Gly His Glu Ile Glu Ile         115 120 125 Lys Val Gln Gly Ala Ala Ser Pro Thr Asp Thr Tyr Val Ser Thr Phe     130 135 140 Gly Gly Val Val Thr Ile Pro Glu Arg Arg Lys Leu Lys Thr Ala Asp 145 150 155 160 Cys Gly Ile Val Ile Gly Asp Thr Gly Val Phe Ser Ser Thr Lys Glu                 165 170 175 Leu Val Ala Asn Val Arg Gln Leu Arg Glu Ser Tyr Pro Asp Leu Ile             180 185 190 Glu Pro Leu Met Thr Ser Ile Gly Lys Ile Ser Arg Ile Gly Glu Gln         195 200 205 Leu Val Leu Ser Gly Asp Tyr Ala Ser Ile Gly Arg Leu Met Asn Val     210 215 220 Asn Gln Gly Leu Leu Asp Ala Leu Gly Val Asn Ile Leu Glu Leu Ser 225 230 235 240 Gln Leu Ile Tyr Ser Ala Arg Ala Ala Gly Ala Phe Gly Ala Lys Ile                 245 250 255 Thr Gly Ala Gly Gly Gly Gly Cys Met Val Ala Leu Thr Ala Pro Glu             260 265 270 Lys Cys Asn Gln Val Ala Glu Ala Val Ala Gly Ala Gly Gly Lys Val         275 280 285 Thr Ile Thr Ala Pro Thr Ala Gln Gly Leu Lys Val Asp     290 295 300

Claims (10)

서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)와 메발론산(mevalonate) 기질이 결합하고 있는 MmMVK-메발론산 복합체의 3차원 결정 구조로서,
상기 메발론산(mevalonate) 기질은 MmMVK의 N-terminal 도메인과 C-terminal 도메인 사이의 힌지(hinge) 부위에 결합하고, MmMVK의 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산과 결합하며, 상기 MmMVK-메발론산 복합체는 사방정계의 공간 그룹(orthorhombic space group)이 P212121이고, 단위격자상수(unit-cell parameters)가 a=43.4 Å, b=96.55 Å, c=133.71 Å이고, α=β=γ=90°인 것을 특징으로 하는 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정.
A three-dimensional crystal structure of the Mm MVK-mevalonic acid complex in which a mevalonate kinase ( Mm MVK) and a mevalonate substrate composed of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 are bound,
The mevalonic acid (mevalonate) substrate Mm MVK of the N-terminal domain and the C-terminal coupling of a hinge (hinge) region between the domains, and any one or more amino acids selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 of Mm MVK And, the Mm MVK-mevalonic acid complex has an orthorhombic space group of P2 1 2 1 2 1, and a unit-cell parameter of a = 43.4 Å, b = 96.55 Å. , c = 133.71 ,, α = β = γ = 90 ° Mm MVK- mevalonic acid complex three-dimensional crystal structure characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소는 메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei) 유래인 것을 특징으로 하는 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정.According to claim 1, wherein the mevalonic acid phosphatase consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 Mm MVK-mevalonic acid complex three-dimensional structure determination, characterized in that derived from metanosrcina mazei (Methanosarcina mazei). 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 MmMVK-메발론산 복합체는 MmMVK와 메발론산(mevalonate) 기질의 결합에 의해 열린 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정.According to claim 1, wherein said Mm MVK- mevalonic acid mevalonic acid complexes Mm MVK- complex three-dimensional structure determination as to form an open frame by the engagement of Mm MVK and mevalonic acid (mevalonate) substrate. 제1항, 제2항 또는 제4항에 따른 MmMVK-메발론산 복합체 3차원 구조결정을 이용하여, 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)의 활성을 촉진하는 물질을 스크리닝하는 방법.A method for screening a substance that promotes the activity of a mevalonate kinase ( Mm MVK) using the three-dimensional structure determination of the Mm MVK-mevalonic acid complex according to claim 1, 2, or 4. 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소(mevalonate kinase; MmMVK)에 있어서, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열 중 Pro159, Lys292, Pro293 및 Glu295로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 아미노산 잔기를 알라닌(alanine)으로 치환한 돌연변이 메발론산 인산화효소.In the mevalonate kinase ( Mm MVK) consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, alanine (Alanine) any one or more amino acid residues selected from the group consisting of Pro159, Lys292, Pro293 and Glu295 among the amino acid sequences of SEQ ID NO: 1 alanine). 제6항에 있어서, 상기 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 메발론산 인산화효소는 메타노사르키나 마제이(Methanosarcina mazei) 유래인 것을 특징으로 하는 돌연변이 메발론산 인산화효소.The method of claim 6, wherein the mevalonic acid phosphatase consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is a mutant mevalonic acid phosphatase, characterized in that derived from metanosrcina mazei (Methanosarcina mazei). 제6항에 있어서, 상기 돌연변이 메발론산 인산화효소는 서열번호 2 또는 서열번호 3으로 이루어진 것을 특징으로 하는 돌연변이 메발론산 인산화효소.The mutant mevalonic acid phosphatase according to claim 6, characterized in that it consists of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3. 제6항에 있어서, 상기 돌연변이 메발론산 인산화효소는 메발론산 기질저해 저항성 돌연변이인 것을 특징으로 하는 돌연변이 메발론산 인산화효소.7. The mutant mevalonic acid phosphatase according to claim 6, wherein the mutant mevalonic acid phosphatase is a mevalonic acid substrate resistance resistant mutation. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 돌연변이 메발론산 인산화효소를 숙주세포에서 발현시키는 단계를 포함하는 이소프렌(isoprene) 생산방법.A method for producing isoprene, comprising expressing the mutant mevalonic acid phosphatase according to any one of claims 6 to 9 in a host cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Ningning Zhuang et al., crystallization communications, F68, 1560-1563 (2012)
Tanja Sgraja et al., BMC Structural Biology, 7:20, 1-16 (2007.03.30.)

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