DYW domain structures imply an unusual regulation principle in plant organellar RNA editing catalysis

RNA editosomes selectively deaminate cytidines to uridines in plant organellar transcripts—mostly to restore protein functionality and consequently facilitate mitochondrial and chloroplast function. The RNA editosomal pentatricopeptide repeat proteins serve target RNA recognition, whereas the intensively studied DYW domain elicits catalysis. Here we present structures and functional data of a DYW domain in an inactive ground state and activated. DYW domains harbour a cytidine deaminase fold and a C-terminal DYW motif, with catalytic and structural zinc atoms, respectively. A conserved gating domain within the deaminase fold regulates the active site sterically and mechanistically in a process that we termed gated zinc shutter. Based on the structures, an autoinhibited ground state and its activation are cross-validated by RNA editing assays and differential scanning fluorimetry. We anticipate that, in vivo, the framework of an active plant RNA editosome triggers the release of DYW autoinhibition to ensure a controlled and coordinated cytidine deamination playing a key role in mitochondrial and chloroplast homeostasis.

陸上植物の葉緑体およびミトコンドリアDNAには、遺伝情報の間違いが何百ヵ所も蓄積されています。植物はこれに対処するため、DNAを訂正するのではなくC-to-U RNA編集をおこない遺伝情報を書き換えています。私たちはこれまでRNA編集に必要なPPRタンパク質を多数明らかにしてきました。PPRタンパク質のC末端にあるDYWドメインが、シチジン(C)をウリジン(U)に書き換える酵素であることはこれまで示唆されていました。しかし、その反応機構はよくわかっていませんでした。本研究では、葉緑体のRNA編集因子であるOTP86のDYWドメインの活性型および非活性型の立体構造をはじめて明らかにしました。非活性型DYWドメインでは、内部の「ゲーティングドメイン」が活性中心に覆いかぶさり、標的となるRNAとの接近を妨げていました。これがATPなどの核酸存在下で活性型に変わると、ゲーティングドメインは、つまみスイッチのようにひねられ、活性中心付近にRNAが収まる空間が生じます。また活性中心の構造も変化し、アミノ酸残基―亜鉛―水分子の距離が接近することにより触媒反応のスイッチが入ります。酵素活性が、活性中心の金属イオン周辺の位置関係の変化により制御される例は、今回はじめて見つかったものです。今後、植物オルガネラのRNA編集を制御するしくみの解明や、医療や産業に応用できる制御可能なRNA編集ツールなどへの展開が期待されます。

  • 著者: Mizuki Takenaka, Sachi Takenaka, Tatjana Barthel, Brody Frink, Sascha Haag, Daniil Verbitskiy, Bastian Oldenkott, Mareike Schallenberg-Rüdinger, Christian G. Feiler, Manfred S. Weiss, Gottfried J. Palm & Gert Weber
  • 掲載誌: Nature Catalysis

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