Evolución dirigida de la enzima 3-Metil- Crotonil-Coenzima A (MCCasa) carboxilasa de Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Biotin dependent enzymes form a ubiquitous superfamily in the three domains of life; these enzymes catalyze the carboxylation or decarboxylation of a wide variety of substrates, as well as they play a key role in the metabolic pathways where these proteins participate. One enzyme of this superfamily is the 3-methylcrotonyl-CoA carboxylase (MCCase; E.C.6.4.1.4), which catalyze the 3-methylcrotonyl-CoA (MCCoA) carboxylation to produce 3-methylglutaconyl-CoA (MGCoA). The MCCase from Pseudomonas aeruginosa has been studied in our group, and we have seen that it is involved in the catabolism of leucine and acyclic monoterpenes of citronellol family. Enzymes of this superfamily are composed by several protein domains, which are essential to carry out their function. The transcarboxylation domain (CT) is responsible for the recognition of the substrate to be carboxylated and for the transference of the carboxyl group. In this work, the evolutionary history of the CT domain that recognizes the substrates-CoA has been constructed. The findings indicate that these domains constitute a superfamily with diverse substrate-CoA recognition, named here as transcarboxylase CoA-dependent superfamily (TDC). The TDC superfamily is constituted by two lineages, the first one corresponds to proteins that encode the CT domain in two separated genes (sCT), and the second lineage contain proteins that the encode CT domain in a single gene (cCT). To understand the evolutivary history of these domains, a phylogenetic analysis of the subdomains from the CT-domain was conducted. Phylogenetic trees showed that the TDC superfamily is constituted by nine main groups, according to the recognized substrates. The analysis also shows that all members of this superfamily are formed by two subdomains, which probably derivate from a very ancient gene duplication event. Structural analysis of crystallized members of TDC superfamily shows that the functional unit is a dimer of CT domains.

Las enzimas dependientes de biotina forman una superfamilia ubicua en los tres dominios de la vida, catalizan la carboxilación o descarboxilación de una amplia variedad de substratos y son enzimas clave en las rutas metabólicas donde participan. Una de las enzimas de esta superfamilia, la 3-metilcrotonil-CoA carboxilasa (MCCasa; E.C.6.4.1.4), cataliza la carboxilación del 3-metilcrotonil-CoA (MCCoA) para formar 3-metilglutaconil-CoA (MGCoA). La MCCasa de la bacteria Gram negativa Pseudomonas aeruginosa ha sido objeto de estudio en nuestro grupo de trabajo y se le ha involucrado en el catabolismo de leucina y de monoterpenos acíclicos de la familia del citronelol. Las enzimas de esta superfamilia están formadas por varios dominios proteicos bien definidos, los cuales son esenciales para llevar a cabo su función. El dominio de transcarboxilación (CT) se encarga del reconocimiento del substrato a carboxilar y de la transferencia del grupo carboxilo. En este trabajo se reconstruyó la historia evolutiva de los dominios CT, encontrándose que estos dominios forman una superfamilia que reconoce substratos con coenzima A, por lo que se nombró como superfamilia de transcarboxilasas dependientes de CoA (TDC). Esta superfamilia está formada por dos linajes, el primero que corresponde a las proteínas que codifican el dominio en dos genes (sCT) y el linaje de las proteínas que codifican al dominio CT en un solo gen (cCT). Para entender la historia evolutiva de los dominios se efectuó la filogenia de los subdominios del dominio CT, la cual arroja nueve familias, que se dividen de acuerdo al substrato que reconocen. Los árboles filogenéticos indican que todos los miembros de la familia están formados por dos subdominios, los cuales probablemente surgieron de un evento de duplicación génica. Al analizar la estructura de los miembros cristalizados de la superfamilia TDC, se observó que la unidad funcional es un dímero de dominios CT.