Las NADPH oxidasas (NOXs) son enzimas que en organismos eucariotas se encargan de la producción especializada de especies reactivas del oxígeno como el anión superóxido y el peróxido de hidrógeno. Estas enzimas poseen, al menos, una subunidad catalítica con dos dominios: un dominio transmembrana que une dos grupos hemo y un dominio citosólico con actividad deshidrogenasa que une FAD y NADPH. Enzimas que comparten esta estructura se identificaron recientemente en algunas bacterias, como es el caso de la enzima NOX del patógeno Streptococcus pneumoniae (SpNOX). En este artículo hemos resuelto la estructura de SpNOX en diferentes estados mediante crio-microcopía electrónica. Los modelos estructurales obtenidos, en combinación con experimentos de mutagénesis dirigida y ensayos enzimáticos, nos ha permitido identificar los mecanismos que permiten que esta enzima posea actividad constitutiva y sea capaz de utilizer NADH y NADPH con la misma eficacia. Además, los resultados sugieren que esta enzima, a pesar de su actividad NADPH oxidasa in vitro, podría tener un aceptor de electrones diferente al oxígeno in vivo.
Resumen
Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidases (NOXs) have a major role in the physiology of eukaryotic cells by mediating reactive oxygen species production. Evolutionarily distant proteins with the NOX catalytic core have been found in bacteria, including Streptococcus pneumoniae NOX (SpNOX), which is proposed as a model for studying NOXs because of its high activity and stability in detergent micelles. We present here cryo-electron microscopy structures of substrate-free and nicotinamide adenine dinucleotide (NADH)-bound SpNOX and of NADPH-bound wild-type and F397A SpNOX under turnover conditions. These high-resolution structures provide insights into the electron-transfer pathway and reveal a hydride-transfer mechanism regulated by the displacement of F397. We conducted structure-guided mutagenesis and biochemical analyses that explain the absence of substrate specificity toward NADPH and suggest the mechanism behind constitutive activity. Our study presents the structural basis underlying SpNOX enzymatic activity and sheds light on its potential in vivo function.
septiembre 2024
Sobre el grupo investigador
El trabajo ha sido dirigido por la doctora Bonnie J. Murphy, investigadora principal del grupo de metaloproteínas y proteinas redox del Instituto Max Planck de Biofísica (MPI Biophysics, Frankfurt, Alemania), y el investigador postdoctoral Pablo San Segundo Acosta, con una beca de movilidad Alfonso Martín Escudero. El estudio se ha llevado a cabo gracias a la estrecha colaboración con la unidad de microscopía electrónica del MPI Biophysics, dirigida por la doctora Sonja Welsch.
Referencia del artículo
Victor R.A. Dubach, Pablo San Segundo Acosta, Bonnie J. Murphy. Structural and mechanistic insights into Streptococcus pneumoniae NADPH oxidase. Nat Struct Mol Biol. 2024. doi: 10.1038/s41594-024-01348-w
https://doi.org/10.1038/s41594-024-01348-w