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Structural analysis and engineering of aldo-keto reductase from glyphosate-resistant Echinochloa colona.
J Hazard Mater · 2022 · 436:129191 · PMID 35739721 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식물
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글리포세이트는 시키미산 경로의 5-엔올피르빌시키메이트-3-인산 합성효소(EPSPS)를 억제하는 주요 유기인계 제초제이다. 글리포세이트는 제조된 이래 광범위하게 사용되어 다양한 글리포세이트 저항성 작물과 잡초의 출현을 야기하였다. 그러나 많은 글리포세이트 저항 기작의 분자적 메커니즘은 여전히 불분명하다. 최근, 두 개의 상동 알도-케토 환원효소(AKR)인 AKR4C16과 AKR4C17의 상향 조절된 발현이 *Echinochloa colona*에서 글리포세이트 저항성에 기여하는 것으로 밝혀졌다. 이는 식물에서 보고된 최초의 자연적으로 진화한 글리포세이트 분해 기작을 나타낸다. 본 연구에서는 X선 결정학을 수행하여 이 두 AKR 효소의 보효소 복합체 구조를 보고하였다. 나아가, AKR4C17의 삼원성 복합체에서 글리포세이트의 결합 양식을 규명하였다. 구조 정보와 이전 연구를 바탕으로, 우리는 AKR 매개 글리포세이트 분해의 가능한 작용 메커니즘을 제안하였다. 또한, 구조 기반 공학을 통해 제작된 AKR4C17의 변이체 F291D는 글리포세이트 분해능에서 70% 증가를 보였다. 결론적으로, 이러한 결과들은 AKR4C17의 구조적 특징과 글리포세이트 결합 양식을 입증하며, 글리포세이트 생물학적 분해 효소 기작에 대한 이해도를 높이고 향후 응용을 위한 AKR 기반 글리포세이트 저항성 설계에 중요한 기초를 제공한다.
ORIGINAL ABSTRACT
Glyphosate is a dominant organophosphate herbicide that inhibits 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) of the shikimate pathway. Glyphosate is extensively applied since manufactured, which has led to the emergence of various glyphosate-resistant crops and weeds. However, the molecular mechanism of many glyphosate-resistance machineries remains unclear. Recently, the upregulated expression of two homologous aldo-keto reductases (AKRs), designated as AKR4C16 and AKR4C17, were found to contribute to the glyphosate resistance in Echinochloa colona. This represents the first naturally evolved glyphosate-degrading machinery reported in plants. Here, we report the three-dimensional structure of these two AKR enzymes in complex with cofactor by performing X-ray crystallography. Furthermore, the binding-mode of glyphosate were elucidated in a ternary complex of AKR4C17. Based on the structural information and the previous study, we proposed a possible mechanism of action of AKR-mediated glyphosate degradation. In addition, a variant F291D of AKR4C17 that was constructed based on structure-based engineering showed a 70% increase in glyphosate degradation. In conclusion, these results demonstrate the structural features and glyphosate-binding mode of AKR4C17, which increases our understanding of the enzymatic mechanism of glyphosate bio-degradation and provides an important basis for the designation of AKR-based glyphosate-resistance for further applications.
저자Li, H.; Yang, Y.; Hu, Y.; Chen, C. C.; Huang, J. W.; Min, J.; Dai, L.; Guo, R. T.
저널Journal of hazardous materials
권·호·쪽436, 129191
PMID35739721
DOI10.1016/j.jhazmat.2022.129191
MeSHAldo-Keto Reductases; Echinochloa; Glycine; Herbicide Resistance; Herbicides; Glyphosate
APA 7판
Li, H., Yang, Y., Hu, Y., Chen, C. C., Huang, J. W., Min, J., Dai, L., & Guo, R. T. (2022). Structural analysis and engineering of aldo-keto reductase from glyphosate-resistant Echinochloa colona. J Hazard Mater, 436, 129191. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129191
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