Over 130 mutations to copper, zinc superoxide dismutase (SOD) are implicated in the selective death of motor neurons found in 25% of patients with familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Despite their widespread distribution, ALS mutations appear positioned to cause structural and misfolding defects. Such defects decrease SOD's affinity for zinc, and loss of zinc from SOD is sufficient to induce apoptosis in motor neurons in vitro. To examine the importance of the zinc site in the structure and pathogenesis of human SOD, we determined the 2.0-Å-resolution crystal structure of a designed zinc-deficient human SOD, in which two zinc-binding ligands have been mutated to hydrogen-bonding serine residues. This structure revealed a 9° twist of the subunits, which opens the SOD dimer interface and represents the largest intersubunit rotational shift observed for a human SOD variant. Furthermore, the electrostatic loop and zinc-binding subloop were partly disordered, the catalytically important Arg143 was rotated away from the active site, and the normally rigid intramolecular Cys57–Cys146 disulfide bridge assumed two conformations. Together, these changes allow small molecules greater access to the catalytic copper, consistent with the observed increased redox activity of zinc-deficient SOD. Moreover, the dimer interface is weakened and the Cys57–Cys146 disulfide is more labile, as demonstrated by the increased aggregation of zinc-deficient SOD in the presence of a thiol reductant. However, equimolar Cu,Zn SOD rapidly forms heterodimers with zinc-deficient SOD (t1/2 ≈ 15 min) and prevents aggregation. The stabilization of zinc-deficient SOD as a heterodimer with Cu,Zn SOD may contribute to the dominant inheritance of ALS mutations. These results have general implications for the importance of framework stability on normal metalloenzyme function and specific implications for the role of zinc ion in the fatal neuropathology associated with SOD mutations

چکیده

بیش از 130 جهش دیسموتاز سوپروکسید مس و روی (SOD) در مرگ گزینشیِ نورون های حرکتی که در 25% از بیماران مبتلا به اسکلروز آمیتورفیک تباری یافت می شود، (ALS) دخیل هستند. جهش های ALS، علیرغمِ توزیع گسترده شان، ظاهراً دلیلی برای بروز نقص در ساختار و تاشدگیِ می باشند. این نقص ها، نزدیکیِ SOD را به روی کاهش می دهد و نبودِ روی در SOD، برای مرگ نورون های حرکتی در محیط آزمایشگاهی کافیست. برای بررسی اهمیتِ موضع روی، در ساختار و بیماریِ SOD انسان، یک ساختار کریستالی 2.0 Å resolution طراحی شده برای یک SOD انسانی - که دارای کمبود روی است و در آن دو لیگاند دارای اتصال به روی به بقایای سرین دارای پیوند هیدروژنی جهش یافته اند – تعیین کردیم. این ساختار دارای یک پیچش 9 درجه ای در زیریکان ها بود که واسط دی مر یا دوپارِ SOD را باز می کند و بزرگترین شیفت دورانی میان زیریکان ها را که برای یک گونه انسانیِ SOD مشاهده شده را نشان می دهد. علاوه براین، لوپ یا حلقۀ الکترواستاتیکی و زیرلوپِ دارای پیوند با روی تاحدی حذف شد، Arg143 که ازنظر تحریک کنندگی مهم است از سایت فعال به بیرون دوران داده شد و برای پل دی سولفیدیِ درون مولکولیِ Cys57-Cys146 که معمولاً حالتی صلب دارد، دو ترکیب یا ساختار درنظر گرفته شد. این تغییرات روی هم رفته، به مولکولهای کوچک اجازه دسترسی بیشتری به مس کاتالیزوری را می دهد، که با افزایش فعالیت اکسایش – کاهش در SOD ی دارای کمبود روی، سازگار است. علاوه براین، محیط دی مر (دوپار) تضعیف شده و دی سولفید Cys57-Cys146 ناپایدار تر است که این امر با انباشت افزودۀ SOD بدون روی در حضورِ ماده کاهندۀ تیول، اثبات شده است. بااینحال، SOD ی Cu,Zn ی هم مول سریعاً هترودیمرهایی با SOD ی بدون روی تشکیل می دهد (t1/2 ≈ 15 min) و از انباشتگی جلوگیری می کند. تثبیت یا موازنۀ SOD ی بدون روی، به عنوان یک هترودیمر با SOD ی Cu,Zn، ممکن است عاملی بالقوه برای وراثت یا انتقالِ جهش های ALS باشد. این نتایج، حاکی از اهمیت ثبات در چهارچوب برروی کار طبیعیِ متالوآنزیم ها و الزامات خاص مربوط به نقش یون روی در بیماری های کشندۀ نورونی که با جهش های SOD مرتبط هستند، می باشند.

1-مقدمه

تمرکز اصلیِ پژوهش های مربوط به اختلالات و آسیبهای نورونی، برروی تعریف نقش آنزیم های پاک کننده Cu , Zn دیسموتاز سوپروکسید (SOD) در بروز اسکلروز آمیتروفیک جانبی (ALS) می باشد. ALS یک بیماری است که در افراد بالغ شروع می شود و با مرگ تدریجیِ نورون های حرکتی پایین تر در طناب نخاعی و نورون های حرکتی بالایی در ساقه مغز و کورتکس 1 همراه است. در سال 1993، نخستین شواهد مربوط به علت مولکولیِ ALS، زمانی که جهش به ژن SOD در تقریباً 3-2 % بیماران ALS، شناسایی شد، پدید آمد...