Structural and Biophysical Characterization of the Bacterial Homospermidine Synthase from Blastochloris viridis to Provide Insights into Substrate Recognition and Reaction Mechanism

The highly conserved bacterial homospermidine synthase (HSS) is a key enzyme of the polyamine metabolism of many α-, γ-, and δ-proteobacteria and, in particular, of that of pathogenic strains such as Legionella pneumophila and Pseudomonas aeruginosa; HSS might thus serve as a target for new antibiotic drugs. As a model for the bacterial HSS family, various crystal structures of Blastochloris viridis HSS (Bv HSS), including substrate and inhibitor bound structures, have allowed a detailed analysis of an identified deep cavity, including two substrate binding sites at the active site, one of which is highly specific for putrescine. Bv HSS features a side pocket in the direct vicinity of the active site formed by conserved amino acids and a potential substrate discrimination, guiding, and sensing mechanism. The structural basis for the reported substrate specificity and preference and their respective products could be determined. Additionally, the competitive inhibition by 1,3-diaminopropane could be explained on the structural level. The derived hypothesis of the detailed reaction steps for the catalysis of Bv HSS emphasizes cation-π interaction through the conserved residue Trp-229 as a key stabilizer of high energetic transition states. In conjunction, these results provide for the first time detailed insights into the structure of the binding pocket and the function of the bacterial HSS, thereby allowing a rational drug design.Die hochkonservierte bakterielle Homospermidin Synthase (HSS) ist ein Schlüsselenzym des Polyamin-Metabolismus vieler α-, γ-, und δ-Proteobakterien, wie beispielsweise den pathogenen Stämmen Legionella pneumophila und Pseudomonas aeruginosa und ist daher ein potentielles Ziel für neue Antibiotika. Die HSS aus Blastochloris viridis (BvHSS) diente als Modell für die bakterielle HSS Familie in der hier vorgestellten detaillierten Analyse mehrerer Kristallstrukturen, u.a. mit gebundenem Substrat oder Inhibitor. Anhand dieser konnte eine tiefe Tasche identifiziert werden, welche zwei Substrat Bindestellen enthält, von denen eine hoch spezifisch für Putrescin ist. Bv HSS enthält eine Seitentasche in direkter Nähe zum aktiven Zentrum, welche aus konservierten Aminosäuren aufgebaut ist. Zudem ist ein potentieller Substrat Diskriminierungs-, Leit- und Detektionsmechanismus vorhanden. Anhand der Strukturen konnte die bekannte Substratspezifität bzw. Substratpräferenz sowie den aus diesen resultierenden Produkten der bakteriellen HSS auf struktureller Ebene erklärt werden. Die beschriebene kompetitive Hemmung der bakteriellen HSS durch 1,3-Diaminopropan konnte auf struktureller Ebene nachvollzogen werden. Die von den Strukturen abgeleitete Hypothese der detaillierten Reaktionsschritte legt eine Rolle des konservierten Tryptophans Trp-229 als Stabilisator hoch energetischer Übergangszustände durch Kation-π Interaktion nahe. Zusammenfassend vermitteln diese Erkenntnisse erstmals ein detailliertes Verständnis des Aufbaus der Bindetasche sowie der Funktionsweise der bakteriellen HSS auf struktureller Ebene und ermöglichen somit eine gezielte Wirkstoffentwicklung