Estrutura, catálise, transporte de quitina e inibição seletiva da quitina sintase

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4776 (2023) Citar este artigo

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A quitina é um dos biopolímeros naturais mais abundantes e serve como um componente estrutural crítico de matrizes extracelulares, incluindo paredes celulares de fungos e exoesqueletos de insetos. Como um polímero linear de N-acetilglucosamina ligada a β-(1,4), a quitina é sintetizada pelas quitina sintases, que são reconhecidas como alvos para medicamentos antifúngicos e anti-insetos. Neste estudo, determinamos sete estruturas diferentes de microscopia crioeletrônica de uma quitina sintase de Saccharomyces cerevisiae na ausência e presença de doadores de glicosil, aceitadores, produtos ou inibidores de peptidil nucleosídeo. Combinadas com análises funcionais, essas estruturas mostram como os substratos doadores e aceitadores se ligam ao sítio ativo, como a hidrólise do substrato impulsiona a auto-escorvamento, como um canal transmembrana condutor de quitina se abre e como os inibidores de peptidil nucleosídeo inibem a quitina sintase. Nosso trabalho fornece uma base estrutural para a compreensão da função e inibição da quitina sintase.

A quitina é o segundo polissacarídeo natural mais abundante na Terra, depois da celulose, e cerca de 100 mil milhões de toneladas de quitina são produzidas por organismos vivos todos os anos1. A quitina é um componente primário das paredes celulares dos fungos, dos exoesqueletos de crustáceos e insetos, e desempenha um papel essencial na reprodução, crescimento ou desenvolvimento desses organismos2. A quitina é um polímero de cadeia longa de N-acetilglucosamina ligada a β- (1,4) (GlcNAc) e é sintetizada pela quitina sintase na membrana plasmática . A quitina sintase catalisa a formação de ligações glicosídicas β (1 → 4) na quitina usando GlcNAc ativado por UDP (UDP-GlcNAc) como doador de açúcar e, entretanto, transporta o produto polissacarídeo através da membrana (Fig. 1a).

um esquema de síntese e transporte de quitina por Chs1. b Ensaio UDP-Glo ​​glicosiltransferase in vitro com Chs1 purificado em tampão com (WT) ou sem (noGlcNAc) GlcNAc. O ensaio sob condições WT também foi realizado com EDTA, tripsina, NikkoZ ou PolyB. A reação sem Chs1 foi usada como controle. Os pontos de dados representam a média ± DP em triplicado. Os dados de origem são fornecidos como um arquivo de dados de origem. c Ensaio de síntese de quitina in vitro com Chs1 purificado em tampão com (WT) ou sem (noGlcNAc) GlcNAc. O ensaio sob condições WT também foi realizado com EDTA e tripsina. A reação sem Chs1 foi usada como controle. Os pontos de dados representam a média ± DP em triplicado. Os dados de origem são fornecidos como um arquivo de dados de origem. d Mapa Cryo-EM e modelo atômico do dímero apo Chs1. e Representação em desenho animado do monômero Chs1. O polipeptídeo é mostrado em arco-íris do terminal N ao C. O suposto sítio ativo é destacado por um círculo laranja. O suposto canal de transporte de quitina é delineado por uma seta roxa. f Topologia de desenho animado do monômero Chs1. g O mapa de domínio Chs1. Os principais domínios e motivos são rotulados. A região N-terminal invisível está em branco.

Em Saccharomyces cerevisiae, a quitina sintase é codificada principalmente por CHS1, CHS2 ou CHS3. O nocaute simultâneo de todos os três genes é letal na levedura5. ScChs1 e ScChs2 pertencem à mesma família da quitina sintase, que contém diferentes números de hélices transmembranares de ScChs36. ScChs1 e ScChs2 são responsáveis ​​pela síntese do septo primário e relacionados à separação celular na citocinese, enquanto ScChs3 é responsável pela formação de quitina no anel do botão e quitina dispersa na parede celular5,7,8,9,10,11. Estudos anteriores indicaram que Chs1 está principalmente na forma de zimogênio e pode ser ativado por proteólise .

A quitina sintase pertence à família da glicosiltransferase 2 invertida contendo dobras GT-A, que também inclui sintases de hialuronano e celulose . Nos últimos anos, foram relatadas estruturas de sintases de hialuronano e celulose, fornecendo informações estruturais sobre seus mecanismos de funcionamento . No entanto, a estrutura da quitina sintase não foi determinada, dificultando uma compreensão mecanicista dos mecanismos catalíticos e de transporte de quitina da quitina sintase.