Published 2022 | Version v1
Journal article

Inter-Site Cooperativity of Calmodulin N-Terminal Domain and Phosphorylation Synergistically Improve the Affinity and Selectivity for Uranyl

Others:
Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille (ex-IBEB) (BIAM) ; Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (LPC2E) ; Observatoire des Sciences de l'Univers en région Centre (OSUC) ; Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris ; Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris ; Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Paris] (CNES)
Observatoire de la Côte d'Azur ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)
Département de recherche sur les procédés pour la mine et le recyclage du combustible (DMRC) ; CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Chimie computationnelle, modélisation et rayons X (COMX) ; Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (LCBM - UMR 5249) ; Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG) ; Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG) ; Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)) ; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)

Description

Uranyl-protein interactions participate in uranyl trafficking or toxicity to cells. In addition to their qualitative identification, thermodynamic data are needed to predict predominant mechanisms that they mediate in vivo. We previously showed that uranyl can substitute calcium at the canonical EF-hand binding motif of calmodulin (CaM) site I. Here, we investigate thermodynamic properties of uranyl interaction with site II and with the whole CaM N-terminal domain by spectrofluorimetry and ITC. Site II has an affinity for uranyl about 10 times lower than site I. Uranyl binding at site I is exothermic with a large enthalpic contribution, while for site II, the enthalpic contribution to the Gibbs free energy of binding is about 10 times lower than the entropic term. For the N-terminal domain, macroscopic binding constants for uranyl are two to three orders of magnitude higher than for calcium. A positive cooperative process driven by entropy increases the second uranyl-binding event as compared with the first one, with Delta Delta G = -2.0 +/- 0.4 kJ mol(-1), vs. Delta Delta G = -6.1 +/- 0.1 kJ mol(-1) for calcium. Site I phosphorylation largely increases both site I and site II affinity for uranyl and uranyl-binding cooperativity. Combining site I phosphorylation and site II Thr7Trp mutation leads to picomolar dissociation constants Kd(1) = 1.7 +/- 0.3 pM and Kd(2) = 196 +/- 21 pM at pH 7. A structural model obtained by MD simulations suggests a structural role of site I phosphorylation in the affinity modulation.

Abstract

International audience

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Created:
March 25, 2023
Modified:
November 30, 2023