Science (not) Friday - A tale of two bases
2012年12月號的Nature Chemical Biology，
刊登了讓glycobiologists振奮的兩篇competing articles，
一篇來自Harvard Medical School的Suzanne Walker lab，
co-first authors: Michael Lazarus & Jiaoyang Jiang
http://www.nature.com/nchembio/journal/v8/n12/abs/nchembio.1109.html
另一篇來自University of Dundee的Daan van Aalten lab
co-first authors: Marianne Schimpl, Xiaowei Zheng, & Vladimir S Borodkin
http://www.nature.com/nchembio/journal/v8/n12/abs/nchembio.1108.html
兩篇各自解開了human O-linked beta-N-acetyl-glucosamine tranferase (OGT)跟sbustrate peptide以及UDP-GlcNAc的ternary structure，
為OGT催化protein O-GlcNacylation的機制提供了解答 (或是更多的問題)
O-GlcNAc在近年是最炙手可熱的protein glycosylation，
O-GlcNac因為發生在細胞質跟核中，
與一般常見，負責跟外界溝通的細胞表面glycosylation大相逕庭，
所以過去不太受到重視。
但是近年來的研究讓人發現它跟細胞內的訊息傳遞有很大的相關，
例如它可以調控/拮抗同樣是針對serine/threonine修飾的phosphorylation，
讓O-GlcNAc搖身一變成為了phosphorylation的sidekick，
身價不可同日而語。
有趣的是，
與負責phosphorylation的五百多種kinases不同，
即便是人類也只有一個OGT gene，
所以究竟OGT如準確卻又廣泛地辨識極多種的受質 (我真不喜歡substrate的中文)，
就變成了一個最令人費解的問題。
去年Suzanne Walker lab率先解開了OGT跟受質 peptide跟UDP的結構
co-first authors: Michael Lazarus & Yunsun Nam
http://www.nature.com/nature/journal/v469/n7331/full/nature09638.html
讓人得以一窺OGT跟peptide作用的情況，
加上UDP的ternary structure也可以稍微解釋可能的SN2反應機制，
但還是缺少了最重要的GlcNAc的結構。
在Nature ChemBio 新發表的這兩篇研究，
剛好就補齊了之前的缺憾，
一步步解開了UDP-GlcNAc binding、
substrate binding (決定不要用中文)、
pseudo-transition state、
product retention的不同結構。
兩篇paper都運用了一樣是新發現的OGT-specific inhibitor, UDP-5S-GlcNAc
(發現的過程也很有趣:
http://www.nature.com/nchembio/journal/v7/n3/abs/nchembio.520.html)
來代替會快速反應的UDP-GlcNAc。
詳細內容也不用多說了，
總之兩篇的結果都告訴了我們許多反應機制的細節。
首先兩篇得到了一個同樣的結論，
就是之前根據mutagensis跟OGT+peptide而推測出來的deprotonation base, His558 side chain midazole，
跟active site都相距過遠，
所以可能只是單純穩定結構用。
那究竟誰才是負責把serine -OH上的H拔掉的base咧？
兩篇倒是各據一辭。
在Walker lab的結構上，
他們觀察到一個水分子離active stie serine很近，
或許有機會靠著Asp554 relay 的方式把H拔掉。
van Aalten lab的paper則提出了不同的解釋，
他們把他們的active site UDP-5S-GlcNAc結構，
與已經解開的glycosyltransferase結構重疊，
發現OGT的UDP-5S-GlcNAc的醣跟UDP彎曲的程度遠大於其他的結構，
這讓UDP-alpha-phosphate 上的O跟serine OH只有2.8 Å的距離。
為了更進一步測是這個alpha-phosphate有沒有可能就是失落的那個base，
他們更進一步用化學合成把alpha-phosphate上R form跟S form的兩個oxygen，
換成electrophilicity較弱的sulfur，
結果不出意料地，
當由結構上預測是base的R-oxygen被置換成sulfur後，
OGT完全地沒有活性；
而S-sulfur則完全對活性沒有影響。
說到這邊，
或許讓人覺得alpha-phosphate的機制既有結構上的證據，
又有化學合成inihibitor的佐證，
似乎是更說得通一些。
但是大家也別忘了這邊所討論的都是很微小的2~3 Å的差異，
或許置換掉的是關鍵性的hydrogen bond也說不定。
兩邊ternary structure的解析度都是~3 Å，
剛好都不足以清晰地分清hydrogen bond。
所以究竟哪個機制是對的，
還有待後續更多enzymology研究。
後記就是要說，
這兩年多下來，
深深覺得structural biology跟enzymology的重要性，
想到當年大二念Biochemistry令我痛恨到發誓覺不會碰的兩個東西
(主要跟某教授有關)，
沒想到也成了我現在研究的重要方向。
另外要是沒有了UDP-5S-GlcNAc的出現，
這兩篇paper的論戰也不會出現，
所以只能再次印證chemical biology就是好啊!
刊登了讓glycobiologists振奮的兩篇competing articles，
一篇來自Harvard Medical School的Suzanne Walker lab，
co-first authors: Michael Lazarus & Jiaoyang Jiang
http://www.nature.com/nchembio/journal/v8/n12/abs/nchembio.1109.html
另一篇來自University of Dundee的Daan van Aalten lab
co-first authors: Marianne Schimpl, Xiaowei Zheng, & Vladimir S Borodkin
http://www.nature.com/nchembio/journal/v8/n12/abs/nchembio.1108.html
兩篇各自解開了human O-linked beta-N-acetyl-glucosamine tranferase (OGT)跟sbustrate peptide以及UDP-GlcNAc的ternary structure，
為OGT催化protein O-GlcNacylation的機制提供了解答 (或是更多的問題)
O-GlcNAc在近年是最炙手可熱的protein glycosylation，
O-GlcNac因為發生在細胞質跟核中，
與一般常見，負責跟外界溝通的細胞表面glycosylation大相逕庭，
所以過去不太受到重視。
但是近年來的研究讓人發現它跟細胞內的訊息傳遞有很大的相關，
例如它可以調控/拮抗同樣是針對serine/threonine修飾的phosphorylation，
讓O-GlcNAc搖身一變成為了phosphorylation的sidekick，
身價不可同日而語。
有趣的是，
與負責phosphorylation的五百多種kinases不同，
即便是人類也只有一個OGT gene，
所以究竟OGT如準確卻又廣泛地辨識極多種的受質 (我真不喜歡substrate的中文)，
就變成了一個最令人費解的問題。
去年Suzanne Walker lab率先解開了OGT跟受質 peptide跟UDP的結構
co-first authors: Michael Lazarus & Yunsun Nam
http://www.nature.com/nature/journal/v469/n7331/full/nature09638.html
讓人得以一窺OGT跟peptide作用的情況，
加上UDP的ternary structure也可以稍微解釋可能的SN2反應機制，
但還是缺少了最重要的GlcNAc的結構。
在Nature ChemBio 新發表的這兩篇研究，
剛好就補齊了之前的缺憾，
一步步解開了UDP-GlcNAc binding、
substrate binding (決定不要用中文)、
pseudo-transition state、
product retention的不同結構。
兩篇paper都運用了一樣是新發現的OGT-specific inhibitor, UDP-5S-GlcNAc
(發現的過程也很有趣:
http://www.nature.com/nchembio/journal/v7/n3/abs/nchembio.520.html)
來代替會快速反應的UDP-GlcNAc。
詳細內容也不用多說了，
總之兩篇的結果都告訴了我們許多反應機制的細節。
首先兩篇得到了一個同樣的結論，
就是之前根據mutagensis跟OGT+peptide而推測出來的deprotonation base, His558 side chain midazole，
跟active site都相距過遠，
所以可能只是單純穩定結構用。
那究竟誰才是負責把serine -OH上的H拔掉的base咧？
兩篇倒是各據一辭。
在Walker lab的結構上，
他們觀察到一個水分子離active stie serine很近，
或許有機會靠著Asp554 relay 的方式把H拔掉。
van Aalten lab的paper則提出了不同的解釋，
他們把他們的active site UDP-5S-GlcNAc結構，
與已經解開的glycosyltransferase結構重疊，
發現OGT的UDP-5S-GlcNAc的醣跟UDP彎曲的程度遠大於其他的結構，
這讓UDP-alpha-phosphate 上的O跟serine OH只有2.8 Å的距離。
為了更進一步測是這個alpha-phosphate有沒有可能就是失落的那個base，
他們更進一步用化學合成把alpha-phosphate上R form跟S form的兩個oxygen，
換成electrophilicity較弱的sulfur，
結果不出意料地，
當由結構上預測是base的R-oxygen被置換成sulfur後，
OGT完全地沒有活性；
而S-sulfur則完全對活性沒有影響。
說到這邊，
或許讓人覺得alpha-phosphate的機制既有結構上的證據，
又有化學合成inihibitor的佐證，
似乎是更說得通一些。
但是大家也別忘了這邊所討論的都是很微小的2~3 Å的差異，
或許置換掉的是關鍵性的hydrogen bond也說不定。
兩邊ternary structure的解析度都是~3 Å，
剛好都不足以清晰地分清hydrogen bond。
所以究竟哪個機制是對的，
還有待後續更多enzymology研究。
後記就是要說，
這兩年多下來，
深深覺得structural biology跟enzymology的重要性，
想到當年大二念Biochemistry令我痛恨到發誓覺不會碰的兩個東西
(主要跟某教授有關)，
沒想到也成了我現在研究的重要方向。
另外要是沒有了UDP-5S-GlcNAc的出現，
這兩篇paper的論戰也不會出現，
所以只能再次印證chemical biology就是好啊!
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