The pathways and domain specificity of Cu(i) binding to human metallothionein 1A

文献情報

出版日 2020-11-06
DOI 10.1039/D0MT00215A
インパクトファクター 0
著者

Adyn Melenbacher, Natalie C. Korkola, Martin J. Stillman


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要旨

Copper is an essential element, but as a result of numerous adverse reactions, it is also a cellular toxin. Nature protects itself from these toxic reactions by binding cuprous copper to chaperones and other metalloproteins. Metallothionein has been proposed as a storage location for Cu(I) and potentially as the donor of Cu(I) to copper-dependent enzymes. We report that the addition of Cu(I) to apo recombinant human metallothionein 1a cooperatively forms a sequential series of Cu(I)–cysteinyl thiolate complexes that have specific Cu(I) : MT stoichiometries of 6 : 1, 10 : 1, and finally 13 : 1. The individual domain Cu : SCys stoichiometries were determined as Cu6S9 (for 6 : 1), Cu6S9 + Cu4S6 (for 10 : 1), and Cu6S9 + Cu7S9 (for 13 : 1) based on the number of modified free cysteines not involved in Cu(I) binding. The stoichiometries are associated with Cu–SCys cluster formation involving bridging thiols in the manner similar to the clusters formed with Cd(II) and Zn(II). The locations of these clustered species within the 20 cysteine full protein were determined from the unique speciation profiles of Cu(I) binding to the β and α domain fragments of recombinant human metallothionein 1a with 9 and 11 cysteines, respectively. Competition reactions using these domain fragments challenged Cu(I) metallation of the βα protein, allowing the sequence of cluster formation in the full protein to be determined. Relative binding constants for each Cu(I) bound are reported. The emission spectra of the Cu4S6, Cu6S9, and Cu7S9 clusters have unique λmax and phosphorescent lifetime properties. These phosphorescent data provide unambiguous supporting evidence for the presence of solvent shielded clusters reported concurrently by ESI-MS. Simulated emission spectra based on the cluster specific emission profiles matched the experimental spectra and are used to confirm that the relative concentrations seen by ESI-MS are representative of the solution. Our results suggest that the availability of a series of sequential Cu(I)–thiolate clusters provides flexibility as a means of protecting the cell from toxicity while still allowing for homeostatic control of the total copper content in the cell. This mechanism provides a dynamic and reactive method of reducing the cellular free copper concentrations.

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Front cover

Other

DOI: 10.1039/AN94368FX017

Food and drugs

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DOI: 10.1039/AN942670103B

Erratum

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DOI: 10.1039/AN938630896A

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DOI: 10.1039/AN942670247B

Organic

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掲載誌

Metallomics

Metallomics
CiteScore: 7
自己引用率: 6.9%
年間論文数: 77

Metallomics publishes cutting-edge investigations aimed at elucidating the identification, distribution, dynamics, role and impact of metals and metalloids in biological systems. Studies that address the “what, where, when, how and why” of these inorganic elements in cells, tissues, organisms, and various environmental niches are welcome, especially those employing multidisciplinary approaches drawn from the analytical, bioinorganic, medicinal, environmental, biophysical, cell biology, plant biology and chemical biology communities. We are particularly interested in articles that enhance our chemical and/or physical understanding of the molecular mechanisms of metal-dependent life processes, and those that probe the common space between metallomics and other ‘omics approaches to uncover new insights into biological processes. Metallomics seeks to position itself at the forefront of those advances in analytical chemistry destined to clarify the enormous complexity of biological systems. As such, we particularly welcome those papers that outline cutting-edge analytical technologies, e.g., in the development and application of powerful new imaging, spectroscopic and mass spectrometric modalities. Work that describes new insights into metal speciation, trafficking and dynamics in complex systems or as a function of microenvironment are also strongly encouraged. Studies that examine the interconnectivity of metal-dependent processes with systems level responses relevant to organismal health or disease are also strongly encouraged, for example those that probe the effect of chemical exposure on metal homeostasis or the impact of metal-based drugs on cellular processes.

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