1. Activation of a Unique Flavin-Dependent tRNA-Methylating Agent
- Author
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Eduardo M. Bruch, Marc Fontecave, Martin J. Field, Sun Un, Djemel Hamdane, RPE Haut Champ des systèmes biologiques ( BHFMR ), Département Biochimie, Biophysique et Biologie Structurale ( B3S ), Institut de Biologie Intégrative de la Cellule ( I2BC ), Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut de Biologie Intégrative de la Cellule ( I2BC ), Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Institut de biologie structurale ( IBS - UMR 5075 ), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 ( UJF ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Grenoble Alpes ( UGA ), Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux ( LCBM - UMR 5249 ), RPE Haut Champ des systèmes biologiques (BHFMR), Département Biochimie, Biophysique et Biologie Structurale (B3S), Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de biologie structurale (IBS - UMR 5075 ), Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (LCBM - UMR 5249), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Chaire Chimie des processus biologiques, Laboratoire de Chimie des Processus Biologiques (LCPB), Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), and Collège de France - Chaire Chimie des processus biologiques
- Subjects
MESH : Models, Chemical ,Protein Denaturation ,MESH: Hydrogen-Ion Concentration ,MESH: Enzyme Stability ,MESH: tRNA Methyltransferases ,Photochemistry ,01 natural sciences ,Biochemistry ,chemistry.chemical_compound ,RNA, Transfer ,Enzyme Stability ,MESH : Bacterial Proteins ,Methylene ,MESH: Bacterial Proteins ,Flavin adenine dinucleotide ,tRNA Methyltransferases ,MESH : Free Radicals ,0303 health sciences ,[SDV.BBM.BS]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Structural Biology [q-bio.BM] ,biology ,MESH: Models, Chemical ,MESH : Bacillus subtilis ,MESH : Protein Binding ,Hydrogen-Ion Concentration ,MESH : tRNA Methyltransferases ,MESH : Electron Spin Resonance Spectroscopy ,MESH: Flavin-Adenine Dinucleotide ,MESH : Protein Denaturation ,Flavin-Adenine Dinucleotide ,Bacillus subtilis ,Protein Binding ,MESH : Quantum Theory ,Free Radicals ,Stereochemistry ,MESH : RNA, Transfer ,Flavin group ,010402 general chemistry ,Methylation ,Cofactor ,Adduct ,MESH: Methylation ,03 medical and health sciences ,Bacterial Proteins ,MESH: Free Radicals ,MESH : Hydrogen-Ion Concentration ,MESH: Protein Binding ,MESH : Flavin-Adenine Dinucleotide ,030304 developmental biology ,MESH : Enzyme Stability ,TRNA methylation ,Electron Spin Resonance Spectroscopy ,TRNA Methyltransferase ,MESH: Bacillus subtilis ,MESH : Methylation ,MESH: RNA, Transfer ,0104 chemical sciences ,TRNA Methyltransferases ,Models, Chemical ,chemistry ,biology.protein ,Quantum Theory ,MESH: Electron Spin Resonance Spectroscopy ,MESH: Protein Denaturation ,MESH: Quantum Theory ,[ SDV.BBM.BS ] Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biomolecules [q-bio.BM] - Abstract
International audience; TrmFO is a tRNA methyltransferase that uses methylenetetrahydrofolate (CH2THF) and flavin adenine dinucleotide hydroquinone as cofactors. We have recently shown that TrmFO from Bacillus subtilis stabilizes a TrmFO-CH2-FADH adduct and an ill-defined neutral flavin radical. The adduct contains a unique N-CH2-S moiety, with a methylene group bridging N5 of the isoalloxazine ring and the sulfur of an active-site cysteine (Cys53). In the absence of tRNA substrate, this species is remarkably stable but becomes catalytically competent for tRNA methylation following tRNA addition using the methylene group as the source of methyl. Here, we demonstrate that this dormant methylating agent can be activated at low pH, and we propose that this process is triggered upon tRNA addition. The reaction proceeds via protonation of Cys53, cleavage of the C-S bond, and generation of a highly reactive [FADH(N5)═CH2]+ iminium intermediate, which is proposed to be the actual tRNA-methylating agent. This mechanism is fully supported by DFT calculations. The radical present in TrmFO is characterized here by optical and EPR/ENDOR spectroscopy approaches together with DFT calculations and is shown to be the one-electron oxidized product of the TrmFO-CH2-FADH adduct. It is also relatively stable, and its decomposition is facilitated by high pH. These results provide new insights into the structure and reactivity of the unique flavin-dependent methylating agent used by this class of enzymes.
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- 2013
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