Molecular simulations of the dynamics and stability of triosephosphate isomerase from Plasmodium falciparum

Abstract

ABSTRACT: Plasmodium falciparum triosephosphate isomerase (PfTIM), which catalyzes the interconversion between dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate, is known to be functional only as a homodimer. Although many studies have shown that the interface Cys13 plays a major role in the stability of the dimer, a few reports have demonstrated that structurally conserved Tyr74 may be essential for the stability of PfTIM dimer. To understand the role of Tyr74, we have performed molecular dynamics (MD) simulations of monomeric and dimeric PfTIM mutated to glycine and cysteine at position 74. Simulations of the monomers revealed that mutant Tyr74Gly does not produce changes in folding and stability of the isolated monomer. Interestingly, comparison of the flexibility of Tyr74 in the monomer and dimer revealed that this residue possesses an intrinsic restricted mobility, indicating that Tyr74 is an anchor residue required for homodimerization. Tyr74 also appears to play an important role in binding by facilitating the disorder-to-order transitions of loops 1 and 3, which allows Cys13 to form favorable interactions with loop 3 and Lys12 to be locked in a favorable position for catalysis. High-temperature MD simulations of the wild-type and Tyr74Gly PfTIM dimers showed that the aromatic moiety of Tyr74 is necessary to preserve the geometry and native contacts between loops 1 and 3 at the interface of the dimer. Disulfide cross-linking between mutant Tyr74Cys and Cys13 further revealed that Tyr74 stabilizes the geometry of loop 1 (which contains the catalytic residue Lys12) and the interactions between loops 1 and 3 via aromatic-aromatic interactions with residues Phe69, Tyr101, and Phe102. Principal component analysis showed that Tyr74 is also necessary to preserve the collective motions in the dimer that contribute to the catalytic efficiency of PfTIM. We conclude that Tyr74 not only plays a role in the stability of the dimer, but also participates in the dimerization process and collective motions via coupled disorder-to-order transitions of intrinsically disordered regions, necessary for efficiency in the catalytic function of PfTIM.

RESUMEN: Se sabe que la enzima triosafosfato isomerasa de Plasmodium falciparum (PfTIM), la cual cataliza la conversión de dihidroxiacetona fosfato a gliceraldehido-3- fosfato, es funcionalmente activa únicamente en su forma homodimérica. A pesar de que varios estudios han mostrado que el residuo Cys13 juega un papel importante en la estabilidad del dímero, muy pocos estudios han demostrado que el residuo Tyr74, el cual es estructuralmente conservado, es posiblemente esencial para brindar estabilidad a la forma dimérica de la PfTIM. Con el propósito de entender el papel de la Tyr74, se llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular (MD, por sus siglas en inglés) de la forma monomérica y dimérica de la PfTIM, con mutaciones en la posición 74 por glicina y cisteína. Las simulaciones de los monómeros mostraron que la mutación Tyr74Gly no produce cambios en el plegamiento y estabilidad del monómero aislado. De manera interesante se observó que la flexibilidad de la Tyr74 tanto en el monómero como en el dímero es intrínsicamente limitada, lo cual indica que la Tyr74 actúa como residuo de anclaje necesario para la homodimerización. Este residuo también cuenta con un papel importante en la homodimerización al facilitar las transiciones desorden-orden de las asas 1 y 3, lo cual permite que la Cys13 forme interacciones favorables con el asa 3 y a la Lys12 mantenerse restringida en una posición favorable para la actividad catalítica. Las simulaciones de los dímeros silvestres y mutados (Tyr74Gly) a temperaturas elevadas mostraron que el anillo aromático de la Tyr74 es necesario para preservar la geometría y los contactos nativos entre las asas 1 y 3 en la interfase del dímero. El entrecruzamiento por enlace disulfuro entre el mutante Tyr74Cys y Cys13 mostró que el residuo Tyr74 estabiliza la geometría del asa 1 (la cual contiene el residuo catalítico Lys12) así como las interacciones entre las asas 1 y 3 mediante interacciones aromáticas con los residuos Phe69, Tyr101 y Phe102. El análisis del componente principal demostró que la Tyr74 también es necesaria para conservar los movimientos colectivos en el dímero que contribuyen a la eficiencia catalítica de la PfTIM. En conclusión, la Tyr74 no solamente juega un papel en la estabilidad del dímero, sino que también participa en el proceso de homodimerización y en los movimientos colectivos mediante transiciones acopladas desorden-orden de regiones intrínsecamente desordenadas, las cuales son necesarias para la eficiencia catalítica de la PfTIM.