Allosteric regulation of CAD modulates de novo pyrimidine synthesis during the cell cycle

变构调节 嘧啶代谢 生物 天冬氨酸氨甲酰转移酶 细胞周期 氨甲酰磷酸合成酶 生物化学 尿素循环 二氢月桂酸脱氢酶 细胞生物学 细胞 氨基酸 嘌呤 精氨酸
作者
Jong Shin,Hannan Mir,Maaz A. Khurram,Kenji M. Fujihara,Brian David Dynlacht,Timothy Cardozo,Richard Possemato
出处
期刊:Nature metabolism [Nature Portfolio]
卷期号:5 (2): 277-293 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s42255-023-00735-9
摘要

Metabolism is a fundamental cellular process that is coordinated with cell cycle progression. Despite this association, a mechanistic understanding of cell cycle phase-dependent metabolic pathway regulation remains elusive. Here we report the mechanism by which human de novo pyrimidine biosynthesis is allosterically regulated during the cell cycle. Combining traditional synchronization methods and metabolomics, we characterize metabolites by their accumulation pattern during cell cycle phases and identify cell cycle phase-dependent regulation of carbamoyl-phosphate synthetase 2, aspartate transcarbamylase and dihydroorotase (CAD), the first, rate-limiting enzyme in de novo pyrimidine biosynthesis. Through systematic mutational scanning and structural modelling, we find allostery as a major regulatory mechanism that controls the activity change of CAD during the cell cycle. Specifically, we report evidence of two Animalia-specific loops in the CAD allosteric domain that involve sensing and binding of uridine 5'-triphosphate, a CAD allosteric inhibitor. Based on homology with a mitochondrial carbamoyl-phosphate synthetase homologue, we identify a critical role for a signal transmission loop in regulating the formation of a substrate channel, thereby controlling CAD activity.
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