The connection of α- and β-domains in mammalian metallothionein-2 differentiates Zn(II) binding affinities, affects folding, and determines zinc buffering properties

亲缘关系 金属硫蛋白 化学 折叠(DSP实现) 生物物理学 分子动力学 蛋白质折叠 金属蛋白 结晶学 血浆蛋白结合 立体化学 生物化学 计算化学 生物 有机化学 电气工程 工程类
作者
Avinash Singh,Adam Pomorski,Sylwia Wu,Manuel David Peris‐Díaz,Hanna Czepczyńska-Krężel,Artur Krężel
出处
期刊:Metallomics [Oxford University Press]
卷期号:15 (6) 被引量:5
标识
DOI:10.1093/mtomcs/mfad029
摘要

Mammalian metallothioneins (MTs) are small Cys-rich proteins involved in Zn(II) and Cu(I) homeostasis. They bind seven Zn(II) ions in two distinct β- and α-domains, forming Zn3Cys9 and Zn4Cys11 clusters, respectively. After six decades of research, their role in cellular buffering of Zn(II) ions has begun to be understood recently. This is because of different affinities of bound ions and the proteins' coexistence in variously Zn(II)-loaded Zn4-7MT species in the cell. To date, it has remained unclear how these mechanisms of action occur and how the affinities are differentiated despite the Zn(S-Cys)4 coordination environment being the same. Here, we dissect the molecular basis of these phenomena by using several MT2 mutants, hybrid protein, and isolated domains. Through a combination of spectroscopic and stability studies, thiol(ate) reactivity, and steered molecular dynamics, we demonstrate that both protein folding and thermodynamics of Zn(II) ion (un)binding significantly differ between isolated domains and the whole protein. Close proximity reduces the degrees of freedom of separated domains, making them less dynamic. It is caused by the formation of intra- and interdomain electrostatic interactions. The energetic consequence of domains connection has a critical impact on the role of MTs in the cellular environment, where they function not only as a zinc sponge but also as a zinc buffering system keeping free Zn(II) in the right concentrations. Any change of that subtle system affects the folding mechanism, zinc site stabilities, and cellular zinc buffer components.

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