Catalytic versatility, stability, and evolution of the (βα)8-barrel enzyme fold

Chemical Reviews

Volumn 105, Issue 11, 2005, Pages 4038-4055

  Sterner, Reinhard ^a   Höcker, Birte ^b  

^a UNIVERSITY OF REGENSBURG   (Germany)

^b DUKE UNIVERSITY MEDICAL CENTER   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATALYSIS; CATALYST ACTIVITY; MOLECULAR STRUCTURE; PHOSPHATES; REACTION KINETICS; STEREOCHEMISTRY; THERMODYNAMIC STABILITY;

CATALYTIC EVOLUTION; CATALYTIC STABILITY; CATALYTIC VERSATILITY; ENZYME FOLD; NATURAL EVOLUTION;

ENZYMES;

ENZYME;

CATALYSIS; CHEMISTRY; DIRECTED MOLECULAR EVOLUTION; ENZYME STABILITY; PROTEIN CONFORMATION; PROTEIN FOLDING; REVIEW;

CATALYSIS; DIRECTED MOLECULAR EVOLUTION; ENZYME STABILITY; ENZYMES; PROTEIN CONFORMATION; PROTEIN FOLDING;

EID: 28444444163     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr030191z     Document Type: Review

References (159)

1. Walsh, C. Nature 2001, 409, 226.
2. Blow, D. Struct. Fold Des. 2000, 8, R77.
3. Kraut, J. Science 1988, 242, 533.
4. Morett, E.; Korbel, J. O.; Rajan, E.; Saab-Rincon, G.; Olvera, L.; Olvera, M.; Schmidt, S.; Snel, B.; Bork, P. Nat. Biotechnol. 2003, 21, 790.
5. Pohl, N. L. Curr. Opin. Chem. Biol. 2005, 9, 76.
6. Jaeger, K. E.; Eggert, T. Curr. Opin. Biotechnol. 2004, 15, 305.
7. Williams, G. J.; Nelson, A. S.; Berry, A. Cell Mol. Life Sci. 2004, 61, 3034.
8. Banner, D. W.; Bloomer, A. C.; Petsko, G. A.; Phillips, D. C.; Pogson, C. I.; Wilson, I. A.; Corran, P. H.; Furth, A. J.; Milman, J. D.; Offord, R. E.; Priddle, J. D.; Waley, S. G. Nature 1975, 255, 609.
9. Gerlt, J. A.; Raushel, F. M. Curr. Opin. Chem. Biol. 2003, 7, 252.
10. Gerlt, J. A.; Babbitt, P. C.; Rayment, I. Arch. Biochem. Biophys. 2005, 433, 59.
11. Nagano, N.; Orengo, C. A.; Thornton, J. M. J. Mol. Biol. 2002, 321, 741.
12. Vega, M. C.; Lorentzen, E.; Linden, A.; Wilmanns, M. Curr. Opin. Chem. Biol. 2003, 7, 694.
13. Wise, E. L.; Rayment, I. Acc. Chem. Res. 2004, 37, 149.
14. Höcker, B. Biomol. Eng. 2005, 22, 31.
15. Wierenga, R. K. FEBS Lett. 2001, 492, 193.
16. Pujadas, G.; Palau, J. Biologica (Bratislava) 1999, 54, 231.
17. Höcker, B.; Jürgens, C.; Wilmanns, M.; Sterner, R. Curr. Opin. Biotechnol. 2001, 12, 376.
18. Selvaraj, S.; Gromiha, M. M. J. Protein Chem. 1998, 17, 407.
19. Moser, J.; Gerstel, B.; Meyer, J. E.; Chakraborty, T.; Wehland, J.; Heinz, D. W. J. Mol. Biol. 1997, 273, 269.
20. Eads, J. C.; Ozturk, D.; Wexler, T. B.; Grubmeyer, C.; Sacchettini, J. C. Structure 1997, 5, 47.
21. Rouvinen, J.; Bergfors, T.; Teeri, T.; Knowles, J. K; Jones, T. A. Science 1990, 249, 380.
22. Spezio, M.; Wilson, D. B.; Karplus, P. A. Biochemistry 1993, 32, 9906.
23. Moore, S. A.; James, M. N.; O'Kane, D. J.; Lee, J. EMBO J. 1993, 12, 1767.
24. Lebioda, L.; Stec, B.; Brewer, J. M. J. Biol. Chem. 1989, 264, 3685.
25. Hyde, C. C.; Ahmed, S. A.; Padlan, E. A.; Miles, E. W.; Davies, D. R. J. Biol. Chem. 1988, 263, 17857.
26. Miles, E. W. Chem. Rec. 2001, 1, 140.
27. Binda, C.; Bossi, R. T.; Wakatsuki, S.; Arzt, S.; Coda, A.; Curti, B.; Vanoni, M. A.; Mattevi, A. Struct. Fold Des. 2000, 8, 1299.
28. Chaudhuri, B. N.; Lange, S. C.; Myers, R. S.; Chittur, S. V.; Davisson, V. J.; Smith, J. L. Structure (Camb) 2001, 9, 987.
29. Douangamath, A.; Walker, M.; Beismann-Driemeyer, S.; Vega-Fernandez, M. C.; Sterner, R.; Wilmanns, M. Structure (Camb) 2002, 10, 185.
30. Hennig, M.; Pfeffer-Hennig, S.; Dauter, Z.; Wilson, K. S.; Schlesier, B.; Nong, V. H. Acta Crystallogr, Sect. D: Biol. Crystallogr. 1995, 51, 177.
31. Hernnig, M.; Jansonius, J. N.; Terwisscha van Scheltinga, A. C.; Dijkstra, B. W.; Schlesier, B. J. Mol. Biol. 1995, 254, 237.
32. Hol, W. G.; van Duijnen, P. T.; Berendsen, H. J. Nature 1978, 273, 443.
33. Raychaudhuri, S.; Younas, F.; Karplus, P. A.; Faerman, C. H.; Ripoll, D. R. Protein Sci. 1997, 6, 1849.
34. La, D.; Sutch, B.; Livesay, D. R. Proteins 2005, 58, 309.
35. Livesay, D. R.; La, D. Protein Sci. 2005, 14, 1158.
36. Whitlow, M.; Howard, A. J.; Finzel, B. C.; Poulos, T. L.; Winborne, E.; Gilliland, G. L. Proteins 1991, 9, 153.
37. Knowles, J. R. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 1991, 332, 115.
38. Kursula, I.; Wierenga, R. K. J. Biol. Chem. 2003, 278, 9544.
39. Guallar, V.; Jacobson, M.; McDermott, A.; Friesner, R. A. J. Mol. Biol. 2004, 337, 227.
40. Wade, R. C.; Gabdoulline, R. R.; Luty, B. A. Proteins 1998, 31, 406.
41. Xiang, J.; Jung, J. Y.; Sampson, N. S. Biochemistry 2004, 43, 11436.
42. Duff, A. P.; Andrews, T. J.; Curmi, P. M. J. Mol. Biol. 2000, 298, 903.
43. McMillan, F. M.; Cahoon, M.; White, A.; Hedstrom, L.; Petsko, G. A.; Ringe, D. Biochemistry 2000, 39, 4533.
44. Brzovic, P. S.; Hyde, C. C.; Miles, E. W.; Dunn, M. F. Biochemistry 1993, 32, 10404.
45. Henn-Sax, M.; Thoma, R.; Schmidt, S.; Hennig, M.; Kirschner, K.; Sterner, R. Biochemistry 2002, 41, 12032.
46. Dwyer, M. A.; Looger, L. L.; Hellinga, H. W. Science 2004, 304, 1967.
47. Sterner, R.; Schmid, F. X. Science 2004, 304, 1916.
48. Radzicka, A.; Wolfenden, R. Science 1995, 267, 90.
49. Appleby, T. C.; Kinsland, C.; Begley, T. P.; Ealick, S. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 2005.
50. Traut, T. W.; Temple, B. R. J. Biol. Chem. 2000, 275, 28675.
51. Miller, B. G.; Snider, M. J.; Wolfenden, R.; Short, S. A. J. Biol. Chem. 2001, 276, 15174.
52. Miller, B. G.; Wolfenden, R. Annu. Rev. Biochem. 2002, 71, 847.
53. Gao, J. Curr. Opin. Struct. Biol. 2003, 13, 184.
54. Wu, N.; Mo, Y.; Gao, J.; Pai, E. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 2017.
55. Miller, B. G.; Snider, M. J.; Short, S. A.; Wolfenden, R. Biochemistry 2000, 39, 8113.
56. Mizohata, E.; Matsumura, H.; Okano, Y.; Kumei, M.; Takuma, H.; Onodera, J.; Kato, K; Shibata, N.; Inoue, T.; Yokota, A.; Kai, Y. J. Mol. Biol. 2002, 316, 679.
57. Andersson, I.; Taylor, T. C. Arch. Biochem. Biophys. 2003, 414, 130.
58. Gromiha, M. M.; Pujadas, G.; Magyar, C.; Selvaraj, S.; Simon, I. Proteins 2004, 55, 316.
59. Silverman, J. A.; Balakrishnan, R.; Harbury, P. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 3092.
60. Wiederstein, M.; Sippl, M. J. J. Mol. Biol. 2005, 345, 1199.
61. Urfer, R.; Kirschner, K. Protein Sci. 1992, 1, 31.
62. Luger, K.; Hommel, U.; Herold, M.; Hofsteenge, J.; Kirschner, K. Science 1989, 243, 206.
63. Hiraga, K.; Yamagishi, A.; Oshima, T. J. Mol. Biol. 2004, 335, 1093.
64. Höcker, B.; Beismann-Driemeyer, S.; Hettwer, S.; Lustig, A.; Sterner, R. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 32.
65. Wilmanns, M.; Priestle, J. P.; Niermann, T.; Jansonius, J. N. J. Mol. Biol. 1992, 223, 477.
66. Sterner, R.; Kleemann, G. R.; Szadkowski, H.; Lustig, A.; Hennig, M.; Kirschner, K. Protein Sci. 1996, 5, 2000.
67. Hennig, M.; Sterner, R.; Kirschner, K.; Jansonius, J. N. Biochemistry 1997, 36, 6009.
68. Thoma, R.; Hermig, M.; Sterner, R.; Kirschner, K. Struct. Fold Des. 2000, 8, 265.
69. Jaenicke, R.; Böhm, G. Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 738
70. Sterner, R.; Liebl, W. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2001, 36, 39.
71. Kohlhoff, M.; Dahm, A.; Hensel, R. FEBS Lett. 1996, 383, 245.
72. Schramm, A.; Kohlhoff, M.; Hensel, R. Methods Enzymol. 2001, 331, 62.
73. Walden, H.; Bell, G. S.; Russell, R. J.; Siebers, B.; Hensel, R.; Taylor, G. L. J. Mol. Biol. 2001, 306, 745.
74. Walden, H.; Taylor, G.; Lilie, H.; Knura, T.; Hensel, R. Biochem. Soc. Trans. 2004, 32, 305.
75. Walden, H.; Taylor, G. L.; Lorentzen, E.; Pohl, E.; Lilie, H.; Schramm, A.; Knura, T.; Stubbe, K.; Tjaden, B.; Hensel, R. J. Mol. Biol. 2004, 342, 861.
76. Hennig, M.; Darimont, B.; Sterner, R.; Kirschner, K.; Jansonius, J. N. Structure 1995, 3, 1295.
77. Knöchel, T.; Pappenberger, A.; Jansonius, J. N.; Kirschner, K. J. Biol. Chem. 2002, 277, 8626.
78. Merz, A.; Knöchel, T.; Jansonius, J. N.; Kirschner, K. J. Mol. Biol. 1999, 288, 753.
79. Szilagyi, A.; Zavodszky, P. Struct. Fold Des. 2000, 8, 493.
80. Vieille, C.; Zeikus, G. J. Microbial. Mol. Biol. Rev. 2001, 65, 1.
81. Perl, D.; Jacob, M.; Bano, M.; Stupak, M.; Antalik, M.; Schmid, F. X. Biophys. Chem. 2002, 96, 173.
82. Jaenicke, R.; Sterner, R. Angew Chem., Int. Ed. 2003, 42, 140.
83. Williams, J. C.; Zeelen, J. P.; Neubauer, G.; Vriend, G.; Backmann, J.; Michels, P. A.; Lambeir, A. M.; Wierenga, R. K. Protein Eng. 1999, 12, 243.
84. Ivens, A.; Mayans, O.; Szadkowski, H.; Jürgens, C.; Wilmanns, M.; Kirschner, K. Eur. J. Biochem. 2002, 269, 1145.
85. Gunasekaran, K.; Eyles, S. J.; Hagler, A. T.; Gierasch, L. M. Curr. Opin. Struct. Biol. 2001, 11, 83.
86. Forsyth, W. R.; Matthews, C. R. J. Mal. Biol. 2002, 320, 1119.
87. Eder, J.; Kirschner, K. Biochemistry 1992, 31, 3617.
88. Jasanoff, A.; Davis, B.; Fersht, A. R. Biochemistry 1994, 33, 6350.
89. Soberon, X.; Fuentes-Gallego, P.; Saab-Rincon, G. FEBS Lett. 2004, 560, 167.
90. Bertolaet, B. L.; Knowles, J. R. Biochemistry 1995, 34, 5736.
91. Pan, H.; Raza, A. S.; Smith, D. L. J. Mol. Biol. 2004, 336, 1251.
92. Silverman, J. A.; Harbury, P. B. J. Mol. Biol. 2002, 324, 1031.
93. Silverman, J. A.; Harbury, P. B. J. Biol. Chem. 2002, 277, 30968.
94. Zitzewitz, J. A.; Matthews, C. R. Biochemistry 1999, 38, 10205.
95. Rojsajjakul, T.; Wintrode, P.; Vadrevu, R.; Matthews, C. R.; Smith, D. L. J. Mol. Biol. 2004, 341, 241.
96. Wintrode, P. L.; RojsajjakuI, T.; Vadrevu, R.; Matthews, C. R.; Smith, D. L. J. Mol. Biol. 2005, 347, 911.
97. Wu, Y.; Matthews, C. R. J. Mol. Biol. 2003, 330, 1131.
98. Finke, J. M.; Onuchic, J. N. Biophys. J. 2005, 89, 488.
99. Rudolph, R.; Siebendritt, R.; Kiefhaber, T. Protein Sci. 1992, 1, 654.
100. Wilmanns, M.; Hyde, C. C.; Davies, D. R.; Kirschner, K.; Jansonius, J. N. Biochemistry 1991, 30, 9161.
101. Shukla, A.; Guptasarma, P. Proteins 2004, 55, 548.
102. Wodak, S. J.; Lasters, I.; Pio, F.; Claessens, M. Biochem. Soc. Symp. 1990, 57, 99.
103. Beauregard, M.; Goraj, K.; Goffin, V.; Heremans, K.; Goormaghtigh, E.; Ruyssehaert, J. M.; Martial, J. A. Protein Eng. 1991, 4, 745.
104. Tanaka, T.; Hayashi, M.; Kimura, H.; Oobatake, M.; Nakamura, H. Biophys. Chem. 1994, 50, 47.
105. Tanaka, T.; Kimura, H.; Hayashi, M.; Fujiyoshi, Y.; Fukuhara, K.; Nakamura, H. Protein Sci. 1994, 3, 419.
106. Tanaka, T.; Kuroda, Y.; Kimura, H.; Kidokoro, S.; Nakamura, H. Protein Eng. 1994, 7, 969.
107. Houbrechts, A.; Moreau, B.; Abagyan, R.; Mainfroid, V.; Preaux, G.; Lamproye, A.; Poncin, A.; Goormaghtigh, E.; Ruysschaert, J. M.; Martial, J. A.; et al. Protein Eng. 1995, 8, 249.
108. Offredi, F.; Dubail, F.; Kischel, P.; Sarinski, K.; Stem, A. S.; Van de Weerdt, C.; Hoch, J. C.; Prosperi, C.; Francois, J. M.; Mayo, S. L.; Martial, J. A. J. Mol. Biol. 2003, 325, 163.
109. Scheerlinck, J. P.; Lasters, I.; Claessens, M.; De Maeyer, M.; Pio, F.; Delhaise, P.; Wodak, S. J. Proteins 1992, 12, 299.
110. Dahiyat, B. I.; Sarisky, C. A.; Mayo, S. L. J. Mol. Biol. 1997, 273, 789.
111. Lang, D.; Thoma, R.; Henn-Sax, M.; Sterner, R.; Wilmanns, M. Science 2000, 289, 1546.
112. Thoma, R.; Schwander, M.; Liebl, W.; Kirschner, K.; Sterner, R. Extremophiles 1998, 2, 379.
113. Höker, B.; Claren, J.; Sterner, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 16448.
114. Gerlt, J. A.; Babbitt, P. C. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 5.
115. Heinz, D. W.; Essen, L. O.; Williams, R. L. J. Mol. Biol. 1998, 275, 635.
116. Höcker, B.; Schmidt, S.; Sterner, R. FEBS Lett. 2002, 510, 133.
117. Nicolet, Y.; Drennan, C. L. Nucleic Acids Res. 2004, 32, 4015.
118. Farber, G. K.; Petsko, G. A. Trends Biochem. Sci. 1990, 15, 228.
119. Babbitt, P. C.; Gerlt, J. A. Adv. Protein Chem. 2000, 55, 1.
120. Henn-Sax, M.; Höcker, B.; Wilmanns, M.; Sterner, R. Biol. Chem. 2001, 382, 1315.
121. Copley, R. R.; Bork, P. J. Mol. Biol. 2000, 303, 627.
122. Seibert, C. M.; Raushel, F. M. Biochemistry 2005, 44, 6383.
123. Gerlt, J. A.; Babbitt, P. C. Annu. Rev. Biochem. 2001, 70, 209.
124. Palmer, D. R.; Wieczorek, S. W.; Hubbard, B. K.; Mrachko, G. T.: Gerlt, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 9580.
125. Schmidt, D. M.; Mundorff, E. C.; Dojka, M.; Bermudez, E.; Ness, J. E.; Govindarajan, S.; Babbitt, P. C.; Minshull, J.; Gerlt, J. A. Biochemistry 2003, 42, 8387.
126. Palmer, D. R.; Garrett, J. B.; Sharma, V.; Meganathan, R.; Babbitt, P. C.; Gerlt, J. A. Biochemistry 1999, 38, 4252.
127. Thoden, J. B.; Taylor Ringia, E. A.; Garrett, J. B.; Gerlt, J. A.; Holden, H. M.; Rayment, I. Biochemistry 2004, 43, 5716.
128. Taylor Ringia, E. A.; Garrett, J. B.; Thoden, J. B.; Holden, H. M.; Rayment, I.; Gerlt, J. A. Biochemistry 2004, 43, 224.
129. Chen-Goodspeed, M.; Sogorb, M. A.; Wu, F.; Hong, S. B.; Raushel, F. M. Biochemistry 2001, 40, 1325.
130. Chen-Goodspeed, M.; Sogorb, M. A.; Wu, F.; Raushel, F. M. Biochemistry 2001, 40, 1332.
131. Vincent, F.; Yates, D.; Garman, E.; Davies, G. J.; Brannigan, J. A. J. Biol. Chem. 2004, 279, 2809.
132. Liaw, S. H.; Chen, S. J.; Ko, T. P.; Hsu, C. S.; Chen, C. J.; Wang, A. H.; Tsai, Y. C. J. Biol. Chem. 2003, 278, 4957.
133. Ireton, G. C.; McDermott, G.; Black, M. E.; Stoddard, B. L. J. Mol. Biol. 2002, 315, 687.
134. Nitanai, Y.; Satow, Y.; Adachi, H.; Tsujimoto, M. J. Mol. Biol. 2002, 321, 177.
135. Beismann-Driemeyer, S.; Sterner, R. J. Biol. Chem. 2001, 276, 20387.
136. Jürgens, C.; Strom, A.; Wegener, D.; Hettwer, S.; Wilmanns, M.; Sterner, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 9925.
137. Leopoldseder, S.; Claren, J.; Jürgens, C.; Sterner, R. J. Mol. Biol. 2004, 337, 871.
138. Barona-Gomez, F.; Hodgson, D. A. EMBO Rep. 2003, 4, 296.
139. Kuper, J.; Doenges, C.; Wilmanns, M. EMBO Rep. 2005, 6, 1.
140. Wise, E.; Yew, W. S.; Babbitt, P. C.; Gerlt, J. A.; Rayment, I. Biochemistry 2002, 41, 3861.
141. Yew, W. S.; Akana, J.; Wise, E. L.; Rayment, I.; Gerlt, J. A. Biochemistry 2005, 44, 1807.
142. Wise, E. L.; Yew, W. S.; Akana, J.; Gerlt, J. A.; Rayment, I. Biochemistry 2005, 44, 1816.
143. Borchert, T. V.; Abagyan, R.; Jaenicke, R.; Wierenga, R. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1994, 91, 1515.
144. Saab-Rincon, G.; Juarez, V. R.; Osuna, J.; Sanchez, F.; Soberon, X, Protein Eng. 2001, 14, 149.
145. Stemmer, W. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1994, 91, 10747.
146. Stemmer, W. P. Nature 1994, 370, 389.
147. Cho, C. M.; Mulchandani, A.; Chen, W. Appl. Environ. Microbiol. 2002, 68, 2026.
148. Merz, A.; Yee, M. C.; Szadkowski, H.; Pappenberger, G.; Crameri, A.; Stemmer, W. P.; Yanofsky, C.; Kirschner, K. Biochemistry 2000, 39, 880.
149. Lebbink, J. H.; Kaper, T.; Bron, P.; van der Oost, J.; de Vos, W. M. Biochemistry 2000, 39, 3656.
150. Lönn, A.; Gardonyi, M.; van Zyl, W.; Hahn-Hagerdal, B.; Otero, R. C. Eur. J. Biochem. 2002, 269, 157.
151. Bocola, M.; Otte, N.; Jaeger, K. E.; Reetz, M. T.; Thiel, W. Chembiochem. 2004, 5, 214.
152. Sriprapundh, D.; Vieille, C.; Zeikus, J. G. Protein Eng. 2003, 16, 683.
153. Giver, L.; Gershenson, A.; Freskgard, P. O.; Arnold, F. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998, 95, 12809.
154. Cheon, Y. H.; Park, H. S.; Kim, J. H.; Kim, Y.; Kim, H. S. Biochemistry 2004, 43, 7413.
155. May, O.; Nguyen, P. T.; Arnold, F. H. Nat. Biotechnol. 2000, 18, 317.
156. Abendroth, J.; Niefind, K.; May, O.; Siemann, M.; Syldatk, C.; Schomburg, D. Biochemistry 2002, 41, 8589.
157. Wymer, N.; Buchanan, L. V.; Henderson, D.; Mehta, N.; Botting, C. H.; Pocivavsek, L.; Fierke, C. A.; Toone, E. J.; Naismith, J. H. Structure 2001, 9, 1.
158. Fong, S.; Machajewski, T. D.; Mak, C. C.; Wong, C. Chem. Biol. 2000, 7, 873.
159. Wada, M.; Hsu, C. C.; Franke, D.; Mitchell, M.; Heine, A.; Wilson, I.; Wong, C. H. Bioorg. Med. Chem. 2003, 11, 2091.