The Case of the Missing Ring: Radical Cleavage of a Carbon−Carbon Bond and Implications for GFP Chromophore Biosynthesis

化学 荧光团 绿色荧光蛋白 发色团 部分 劈理(地质) 键裂 立体化学 三肽 光化学 组合化学 荧光 生物化学 催化作用 工程类 物理 基因 岩土工程 量子力学 断裂(地质)
作者
D.P. Barondeau,C.J. Kassmann,John A. Tainer,Elizabeth D. Getzoff
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:129 (11): 3118-3126 被引量:39
标识
DOI:10.1021/ja063983u
摘要

The green fluorescent protein (GFP) creates its fluorophore by promoting spontaneous peptide backbone cyclization and amino acid oxidation chemistry on its own Ser65, Tyr66, Gly67 tripeptide sequence. Here we use high-resolution crystallography and mutational analyses to characterize GFP variants that undergo backbone cyclization followed by either anticipated chromophore synthesis via Y66F Cα−Cβ double-bond formation or unprecedented loss of a Y66F benzyl moiety via Cα−Cβ bond cleavage. We discovered a Y66F cleavage variant that subsequently incorporates an oxygen atom, likely from molecular oxygen, at the Y66 Cα position. The post-translational products identified from these Y66F GFP structures support a common intermediate that partitions between Cα−Cβ oxidation and homolytic cleavage pathways. Our data indicate that Glu222 is the branchpoint control for this partitioning step and also influences subsequent oxygen incorporation reactions. From these results, we propose mechanisms for Y66F Cα−Cβ cleavage, oxygen incorporation, and chromophore biosynthesis with shared features that include radical chemistry. By revealing how GFP and RFP protein environments steer chemistry to favor fluorophore biosynthesis and disfavor alternative reactivity, we identify strategies for protein design. The proposed, common, one-electron oxidized, radical intermediate for post-translation modifications in the GFP family has general implications for how proteins drive and control spontaneous post-translational chemical modifications in the absence of metal ions.
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