Anthrax toxin lethal factor domain 3 is highly mobile and responsive to ligand binding

Abstract

The secreted anthrax toxin consists of three components: the protective antigen (PA), edema factor (EF) and lethal factor (LF). LF, a zinc metalloproteinase, compromises the host immune system primarily by targeting mitogen-activated protein kinase kinases in macrophages. Peptide substrates and small-molecule inhibitors bind LF in the space between domains 3 and 4 of the hydrolase. Domain 3 is attached on a hinge to domain 2viaresidues Ile300 and Pro385, and can move through an angular arc of greater than 35° in response to the binding of different ligands. Here, multiple LF structures including five new complexes with co-crystallized inhibitors are compared and three frequently populated LF conformational states termed `bioactive', `open' and `tight' are identified. The bioactive position is observed with large substrate peptides and leaves all peptide-recognition subsites open and accessible. The tight state is seen in unliganded and small-molecule complex structures. In this state, domain 3 is clamped over certain substrate subsites, blocking access. The open position appears to be an intermediate state between these extremes and is observed owing to steric constraints imposed by specific bound ligands. The tight conformation may be the lowest-energy conformation among the reported structures, as it is the position observed with no bound ligand, while the open and bioactive conformations are likely to be ligand-induced.

Structural Basis of Proline-Proline Peptide Bond Specificity of the Metalloprotease Zmp1 Implicated in Motility of Clostridium difficile

“…Together with domains II and III it builds up a groove that recognizes and binds substrates (Pannifer et al, 2001;Maize et al, 2014). Domain III was recently shown to be responsive to ligand binding and to change its conformation depending on the bound ligand/substrate (Pannifer et al, 2001;Maize et al, 2014). We performed a structural alignment of Zmp1 with B. anthracis LF ( Figure 5).…”

Bacillus anthracis toxins

“…Domain 2 has structural similarity to some ADP-ribosylating toxins, such as the clostridal C2 toxin, but does not retain residues essential for that catalytic activity. Domain 3, made of a sequence of four imperfect repeats, normally lies across the catalytic domain and is found to be highly mobile and responsive to ligand binding [146]. Domain 4 (residues 551-776) contains the catalytic domain and the zinc-binding site, mutations within which destroy the proteolytic function of the toxin [141].…”

Development of Specific Therapy to Category A ToxicInfections

“…Во-первых, несмотря на значительный масштаб исследований, ме-ханизм системного поражения организма на поздних стадиях инфекции до конца не ясен [19]. Во-вторых, слабо изучена динамическая структура ЛФ, способного к значительным конформационным перестройкам при связывании субстратов [20,21]. Это не только затрудняет разработку специфических низкомолекулярных инги-биторов ЛФ, но и поиск новых мишеней этой протеа-зы, существенная часть которых практически наверняка осталась не идентифицированной [22,23].…”

“…Более того, поскольку при попадании в клетку ЛТ диссоциирует на ЛФ и ПА, принципиальное зна-чение для внутриклеточного ингибирования токсина имеет блокировка протеолитической активности ЛФ. Последний является цинковой протеазой с уникаль-ными характеристиками, обеспечивающими, с одной стороны, высокую субстратную специфичность [20,21], а с другой -адаптивность к различным условиям, в частности, выражающуюся в способности использовать весьма широкий спектр двухвалентных ионов металлов в качестве кофакторов, что нехарактерно для большин-ства металлопротеаз [33]. В силу этих причин разработка специфических низкомолекулярных ингибиторов ЛФ является весьма сложной задачей.…”

“…Проблему специфичности мог бы решить подход, заключающийся в скрининге аллостерических ингибиторов, особенно ингибиторов конформационных перестроек фермента, предположительно происходящих при взаимодействии с субстратом. На базе концепции взаимодействия ЛФ и его субстратов не только в активном центре, но и в об-ласти экзосайтов [20,21] был получен аллостерический ингибитор, блокирующий эффективное связывание про-теазы с полноразмерными субстратами -MAP-киназами [37]. Обнаруженный ингибитор и разработанный метод скрининга могут быть использованы для создания прин-ципиально нового класса ингибиторов ЛФ и других ме-таллопротеаз, традиционо являющихся весьма сложными мишенями для создания эффективных и селективных низкомолекулярных ингибиторов [38].…”