The role of disulfide bonds in a Solanum tuberosum saposin-like protein investigated using molecular dynamics

• DOI: 10.1371/journal.pone.0237884
• Publication Date: 2020-08-25T17:33:30Z
• Authors: John H. Dupuis; Shenlin Wang; Chen Song; Rickey Y. Yada
• Keywords: 0301 basic medicine; Computational chemistry; Plant Nutrition; Structural motif; Organic chemistry; Plant Science; Biochemistry; Gene; Protein Structure, Secondary; Saposins; Agricultural and Biological Sciences; Significance of Phytic Acid in Nutrition and Agriculture; Symbiotic Nitrogen Fixation in Legumes; Stereochemistry; Disulfides; Polymer; Plant Proteins; Crystallography; Protein Stability; Q; R; Life Sciences; Monomer; Biofortification of Staple Crops for Human Nutrition; Chemistry; Protein quaternary structure; Medicine; Protein secondary structure; Hydrophobic and Hydrophilic Interactions; Research Article; Protein tertiary structure; Science; Biophysics; Molecular Dynamics Simulation; Molecular dynamics; Covalent bond; 03 medical and health sciences; Cysteine; Biology; Solanum tuberosum; Hydrogen bond; Molecule; Hydrogen Bonding; Dimer; Protein subunit; Protein structure; Salts; Protein Multimerization; Sulfur

The Solanum tuberosum plant specific insert (StPSI) has a defensive role in potato plants, with the requirements of acidic pH and anionic lipids. The StPSI contains a set of three highly conserved disulfide bonds that bridge the protein's helical domains. Removal of these bonds leads to enhanced membrane interactions. This work examined the effects of their sequential removal, both individually and in combination, using all-atom molecular dynamics to elucidate the role of disulfide linkages in maintaining overall protein tertiary structure. The tertiary structure was found to remain stable at both acidic (active) and neutral (inactive) pH despite the removal of disulfide linkages. The findings include how the dimer structure is stabilized and the impact on secondary structure on a residue-basis as a function of disulfide bond removal. The StPSI possesses an extensive network of inter-monomer hydrophobic interactions and intra-monomer hydrogen bonds, which is likely the key to the stability of the StPSI by stabilizing local secondary structure and the tertiary saposin-fold, leading to a robust association between monomers, regardless of the disulfide bond state. Removal of disulfide bonds did not significantly impact secondary structure, nor lead to quaternary structural changes. Instead, disulfide bond removal induces regions of amino acids with relatively higher or lower variation in secondary structure, relative to when all the disulfide bonds are intact. Although disulfide bonds are not required to preserve overall secondary structure, they may have an important role in maintaining a less plastic structure within plant cells in order to regulate membrane affinity or targeting.<br/>El inserto específico de planta Solanum tuberosum (StPSI) tiene un papel defensivo en las plantas de papa, con los requisitos de pH ácido y lípidos aniónicos. El StPSI contiene un conjunto de tres enlaces disulfuro altamente conservados que unen los dominios helicoidales de la proteína. La eliminación de estos enlaces conduce a interacciones de membrana mejoradas. Este trabajo examinó los efectos de su eliminación secuencial, tanto individualmente como en combinación, utilizando la dinámica molecular de todos los átomos para dilucidar el papel de los enlaces disulfuro en el mantenimiento de la estructura terciaria general de la proteína. Se encontró que la estructura terciaria permanecía estable tanto a pH ácido (activo) como neutro (inactivo) a pesar de la eliminación de los enlaces disulfuro. Los hallazgos incluyen cómo se estabiliza la estructura del dímero y el impacto en la estructura secundaria sobre la base de residuos en función de la eliminación del enlace disulfuro. El StPSI posee una extensa red de interacciones hidrófobas entre monómeros y enlaces de hidrógeno intramonómeros, que probablemente sea la clave para la estabilidad del StPSI al estabilizar la estructura secundaria local y el pliegue terciario de saposina, lo que lleva a una asociación robusta entre monómeros, independientemente del estado del enlace disulfuro. La eliminación de los enlaces disulfuro no afectó significativamente la estructura secundaria, ni condujo a cambios estructurales cuaternarios. En cambio, la eliminación del enlace disulfuro induce regiones de aminoácidos con una variación relativamente mayor o menor en la estructura secundaria, en relación con cuando todos los enlaces disulfuro están intactos. Aunque no se requieren enlaces disulfuro para preservar la estructura secundaria general, pueden tener un papel importante en el mantenimiento de una estructura menos plástica dentro de las células vegetales para regular la afinidad o el direccionamiento de la membrana.<br/>يلعب الإدخال الخاص بنبات درنة سولانوم (StPSI) دورًا دفاعيًا في نباتات البطاطس، مع متطلبات الأس الهيدروجيني الحمضي والدهون الأنيونية. يحتوي StPSI على مجموعة من ثلاثة روابط ثاني كبريتيد محفوظة للغاية تربط المجالات الحلزونية للبروتين. تؤدي إزالة هذه الروابط إلى تفاعلات غشائية معززة. درس هذا العمل آثار إزالتها المتسلسلة، بشكل فردي وجماعي، باستخدام الديناميكيات الجزيئية لجميع الذرات لتوضيح دور روابط ثاني كبريتيد في الحفاظ على البنية الثلاثية للبروتين بشكل عام. وجد أن البنية الثلاثية تظل مستقرة عند كل من الرقم الهيدروجيني الحمضي (النشط) والرقم الهيدروجيني المحايد (غير النشط) على الرغم من إزالة روابط ثاني كبريتيد. تشمل النتائج كيفية استقرار بنية ثنائي الكبريت والتأثير على البنية الثانوية على أساس البقايا كدالة لإزالة رابطة ثنائي الكبريتيد. تمتلك StPSI شبكة واسعة من التفاعلات الكارهة للماء بين المونومرات والروابط الهيدروجينية داخل المونومرات، والتي من المحتمل أن تكون مفتاح استقرار StPSI من خلال تثبيت الهيكل الثانوي المحلي وثني السابوسين الثلاثي، مما يؤدي إلى ارتباط قوي بين المونومرات، بغض النظر عن حالة رابطة ثاني كبريتيد. لم تؤثر إزالة روابط ثاني كبريتيد بشكل كبير على البنية الثانوية، ولم تؤدي إلى تغييرات هيكلية رباعية. بدلاً من ذلك، تؤدي إزالة رابطة ثاني كبريتيد إلى إحداث مناطق من الأحماض الأمينية ذات تباين أعلى أو أقل نسبيًا في البنية الثانوية، مقارنةً بالوقت الذي تكون فيه جميع روابط ثاني كبريتيد سليمة. على الرغم من أن الروابط ثنائية الكبريتيد غير مطلوبة للحفاظ على البنية الثانوية الشاملة، إلا أنها قد يكون لها دور مهم في الحفاظ على بنية أقل بلاستيكية داخل الخلايا النباتية من أجل تنظيم تقارب الغشاء أو الاستهداف.<br/>L'insert spécifique à la plante Solanum tuberosum (StPSI) a un rôle défensif dans les plantes de pomme de terre, avec les exigences de pH acide et de lipides anioniques. Le StPSI contient un ensemble de trois liaisons disulfure hautement conservées qui relient les domaines hélicoïdaux de la protéine. L'élimination de ces liaisons conduit à des interactions membranaires améliorées. Ce travail a examiné les effets de leur élimination séquentielle, à la fois individuellement et en combinaison, en utilisant la dynamique moléculaire de tous les atomes pour élucider le rôle des liaisons disulfures dans le maintien de la structure tertiaire globale des protéines. La structure tertiaire s'est avérée stable à la fois à pH acide (actif) et neutre (inactif) malgré l'élimination des liaisons disulfures. Les résultats comprennent la façon dont la structure dimère est stabilisée et l'impact sur la structure secondaire sur une base résiduelle en fonction de l'élimination de la liaison disulfure. Le StPSI possède un vaste réseau d'interactions hydrophobes inter-monomères et de liaisons hydrogène intra-monomères, ce qui est probablement la clé de la stabilité du StPSI en stabilisant la structure secondaire locale et le pli tertiaire de la saposine, conduisant à une association robuste entre les monomères, quel que soit l'état de la liaison disulfure. L'élimination des liaisons disulfures n'a pas eu d'impact significatif sur la structure secondaire, ni conduit à des changements structurels quaternaires. Au lieu de cela, l'élimination des liaisons disulfure induit des régions d'acides aminés avec une variation relativement plus élevée ou plus faible de la structure secondaire, par rapport au moment où toutes les liaisons disulfure sont intactes. Bien que les liaisons disulfures ne soient pas nécessaires pour préserver la structure secondaire globale, elles peuvent jouer un rôle important dans le maintien d'une structure moins plastique dans les cellules végétales afin de réguler l'affinité membranaire ou le ciblage.<br/>