Structural Studies of Phospholipid Biosynthesis and tRNA Modification

Abstract

본 학위논문은 미생물 효소의 구조적 역학과 분자 간 상호작용을 심층적으로 탐구한다. 특히 단백질-지질과 단백질-tRNA 상호작용에 초점을 맞추어 효소의 기질 인식, 촉매 메커니즘, 그리고 생물학적 기능을 구조적 관점에서 분석한다.

제1장에서는 대장균(Escherichia coli)의 인지질 생합성에 중요한 포스파티딜세린 탈탄산효소(PSD)를 연구한다. 고해상도 X-선 결정학적 방법을 통해 PSD의 비결합 상태와 인지질과의 복합체 구조를 규명하였으며, 이를 통해 PSD의 고유한 막 결합 특성과 기질 상호작용, 자가절단 및 촉매 과정에 관여하는 핵심 아미노산 잔기를 밝혀냈다. 본 연구는 세균 막 생합성에 대한 이해를 심화시키는 데 기여한다.

제2장에서는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)의 전사 RNA(tRNA) 변형 효소인 MnmM의 구조적 동역학을 연구한다. tRNA와의 복합체 결정 구조 분석을 통해 MnmM이 tRNA를 인식하고 상호작용하는 메커니즘을 밝혀냈으며, 이는 그람 양성균에서의 효소 진화적 적응을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공한다.

부록에서는 고초균(Bacillus subtilis)과 대장균의 II형 tRNA의 결정 구조를 최초로 제시한다. 구조 분석 결과, tRNA의 안티코돈 줄기-고리 구조(anticodon stem loop)가 표준적 구조를 유지하면서도 가변 루프에서 독특한 구조적 유연성을 보임을 발견하였다. 이러한 구조적 가변성은 II형 tRNA의 상호작용과 기능에 중요한 의미를 시사한다.

본 학위논문은 미생물의 막 생합성, tRNA 변형 경로, 그리고 tRNA의 구조적 동역학에 대한 심도 있는 이해를 제공함으로써 핵심적인 생물학적 효소 반응에 대한 중요한 통찰을 제공한다.|The complex structure of an enzyme bound to its substrate reveals the molecular basis of selective substrate recognition, discrimination from non-substrates, and catalytic mechanism, illustrating how enzymes reduce energy barriers to drive reactions. This dissertation examines key intermolecular interactions—specifically protein-lipid and protein-tRNA—that underpin these processes in bacterial systems. Chapter I investigates the enzyme phosphatidylserine decarboxylase (PSD), critical for phosphatidylethanolamine (PE) synthesis in Escherichia coli. High-resolution X-ray crystallography reveals both apo-PSD and its complex with PE, mimicking the Schiff base intermediate. These structures elucidate unique membrane association and substrate interactions of PSD, highlighting essential residues involved in auto-cleavage and catalysis through site-directed mutagenesis. This comprehensive structural study enhances understanding of bacterial membrane biogenesis. Chapter II presents the structural dynamics of Staphylococcus aureus MnmM, a novel tRNA modifying methyltransferase, through its crystal structures in three states: apo, ligand-bound, and tRNA-ligand-bound. These structures provide unique insights into how S. aureus MnmM recognizes and interacts with tRNA, revealing distinctive substrate recognition and catalytic mechanisms and underscoring the evolutionary adaptation of this enzyme in Gram-positive bacteria. The Appendix presents the first crystal structures of free-state Type-II tRNAs, specifically tRNALeu from Bacillus subtilis and Escherichia coli. Structural analysis shows the anticodon stem-loop retains its canonical conformation while revealing unique conformational flexibility in the variable loop. This structural plasticity suggests significant implications for Type-II tRNA interactions and function. Collectively, this dissertation contributes to a deeper understanding of bacterial membrane biogenesis, tRNA modification pathways, and the structural dynamics of tRNA, enhancing insights into fundamental biological processes.