Illuminating the mechanism and allosteric behavior of NanoLuc luciferase

变构调节 活动站点 化学 变构酶 荧光素酶 荧光素 结合位点 生物物理学 生物发光 立体化学 催化作用 生物化学 生物 转染 基因
作者
Michal Nemergut,Daniel Pluskal,Jana Horackova,Tereza Sustrova,Jan Tulis,Tomáš Bárta,Racha Baatallah,Glwadys Gagnot,Veronika Novakova,Marika Majerova,Karolina Sedlackova,Sérgio M. Marques,Martin Toul,Jiřı́ Damborský,Zbyněk Prokop,David Bednář,Yves L. Janin,Martin Marek
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41467-023-43403-y
摘要

NanoLuc, a superior β-barrel fold luciferase, was engineered 10 years ago but the nature of its catalysis remains puzzling. Here experimental and computational techniques are combined, revealing that imidazopyrazinone luciferins bind to an intra-barrel catalytic site but also to an allosteric site shaped on the enzyme surface. Structurally, binding to the allosteric site prevents simultaneous binding to the catalytic site, and vice versa, through concerted conformational changes. We demonstrate that restructuration of the allosteric site can boost the luminescent reaction in the remote active site. Mechanistically, an intra-barrel arginine coordinates the imidazopyrazinone component of luciferin, which reacts with O2 via a radical charge-transfer mechanism, and then it also protonates the resulting excited amide product to form a light-emitting neutral species. Concomitantly, an aspartate, supported by two tyrosines, fine-tunes the blue color emitter to secure a high emission intensity. This information is critical to engineering the next-generation of ultrasensitive bioluminescent reporters.
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