Identification of a structural mechanism for prediction and discrimination of substrates for multifunctional GH5 cellulases/hemicellulases

热室梭菌 马里蒂玛热带鱼 半纤维素 生物化学 氨基酸 基质(水族馆) 化学 纤维素 细胞壁 生物 木聚糖酶 纤维素酶 肽序列 糖苷水解酶 双功能 序列比对 拉马钱德兰地块 多序列比对 蛋白质结构 结构相似性 水解酶 机制(生物学) 糖苷键
作者
Jia‐Jin Liu,I‐Chen Liu,Yuehua Chen,T Y Lin,Po‐Huang Liang
出处
期刊:FEBS Journal [Wiley]
标识
DOI:10.1111/febs.70610
摘要

Multifunctional and heat-resistant enzymes with both cellulose and hemicellulose degrading activities are particularly useful in converting plant biomass into biofuel. We previously characterised a bifunctional cellulase/xylanase CtCel5E from Clostridium thermocellum and a bifunctional cellulase/mannanase TmCel5A from Thermotoga maritima. In this study, we further characterised another GH5 enzyme, CtCel5T, annotated as a trifunctional cellulase/xylanase/mannanase. Despite the highly conserved amino acid sequences and crystal structures, they exhibit distinct hemicellulase substrate specificities. Through structural comparison coupled with site-directed mutagenesis, we identified that Met277 in loop 6 and Glu360 in loop 8 of CtCel5T overlapped with His205 and Trp210 in loop 6 of TmCel5A, respectively, but no amino acid at these spatial positions in CtCel5E, suggesting that these residues may play critical roles in discriminating hemicellulose substrates. In agreement with this, exchanging the amino acids in these loops of CtCel5T and TmCel5A switched substrate preference. Moreover, using phylogenetic tree analyses to confirm the GH5 family of cellulases/hemicellulases with functions consistent with these structural features, we could predict the functions of relatively uncharacterised enzymes using MtGlu5, a GH5 endoglucanase from Meiothermus taiwanensis WR-220, as an example. This study thus identified a structural mechanism for determining the substrate specificities of GH5 multifunctional cellulases/hemicellulases.
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