Trivalent rare earth metal cofactors confer rapid NP-DNA polymerase activity

化学 磷酸二酯键 辅因子 二价 DNA 核苷酸 立体化学 DNA聚合酶 活动站点 聚合酶 结晶学 生物化学 基因 核糖核酸 有机化学
作者
Victor S. Lelyveld,Ziyuan Fang,Jack W. Szostak
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:382 (6669): 423-429
标识
DOI:10.1126/science.adh5339
摘要

A DNA polymerase with a single mutation and a divalent calcium cofactor catalyzes the synthesis of unnatural N3'→P5' phosphoramidate (NP) bonds to form NP-DNA. However, this template-directed phosphoryl transfer activity remains orders of magnitude slower than native phosphodiester synthesis. Here, we used time-resolved x-ray crystallography to show that NP-DNA synthesis proceeds with a single detectable calcium ion in the active site. Using insights from isotopic and elemental effects, we propose that one-metal-ion electrophilic substrate activation is inferior to the native two-metal-ion mechanism. We found that this deficiency in divalent activation could be ameliorated by trivalent rare earth and post-transition metal cations, substantially enhancing NP-DNA synthesis. Scandium(III), in particular, confers highly specific NP activity with kinetics enhanced by more than 100-fold over calcium(II), yielding NP-DNA strands up to 100 nucleotides in length.
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