The structure of PP4397 in a complex with c-di-GMP was determined. Two intercalated c-di-GMP were bound to PP4397 and c-di-GMP binding induces a dimer-to-monomer transition. Mutational studies showed that the R122 of PP4397 is important for the recognition of two molecules. The PilZ domain proteins show different c-di-GMP binding stoichiometry, and this difference is expected to play a role in generating diverse forms of c-di-GMP-mediated regulation. The bacterial checkpoint protein, DisA, possess diadenylate cyclase activity. Diadenylate cyclase activity of DisA is strongly suppressed by branched nucleic acids such as Holliday junctions. It is suggested that recognition of Holliday junction DNA inhibits c-di-AMP synthesis of DisA, signaling the presence of DNA damage. The potassium transporter protein, KtrA was identified as c-di-AMP receptor. c-di-AMP binds to RCK_C domain of KtrA at subnanomolar concentration. The crystal structure of holo-KtrA RCK_C is composed of homodimer. The c-di-AMP nucleotide, which adopts a U-shaped conformation, is bound at the dimer interface. c-di-AMP interacts with KtrA RCK_C mainly by forming hydrogen bonding and hydrophobic interactions. The superimposition of holo-KtrA RCK_C with ATP/ADP bound KtrA structures suggests that c-di-AMP is expected to inactivate the potassium transport of KtrA which is a distinct feature compared to that of ATP or ADP.
c-di-GMP는 미생물의 바이오필름, 형성, 운동성, 병원성에 관여하는 이차 신호전달 물질이다. c-di-GMP의 가장 대표적인 수용체인 PP4397과 c-di-GMP 복합체 구조를 규명하였다. 구조에서 살펴본 결과 두 분자의 c-di-GMP가 YcgR-N 도메인과 PilZ 도메인 사이에 결합하고 있으며 리간드의 결합에 의해 dimer인 구조가 monomer로 변함을 확인하였다. 다른 PilZ 도메인 단백질인 VCA0042와의 구조 비교를 통해 리간드 결합 분자수에 관여하는 중요한 아미노산을 파악하였다. 돌연변이가 도입된 VCA0042의 구조를 결정하여 리간드 결합 분자수에 따라 두 도메인의 상대적인 위치가 다양하게 나타남을 알 수 있었다. 이러한 리간드 결합 분자수, 4차구조의 다양성에 의해 다양한 형태의 박테리아의 신호전달이 가능하다는 것을 밝혔다. 박테리아의 체크 포인트 단백질인 DisA는 c-di-AMP를 합성하는 diadenylate cyclase 기능을 가지고 있다. c-di-AMP와 c-di-GMP 모두 박테리아의 이차 신호전달 물질이지만 서로 전혀 다른 기능을 조절하는 것으로 알려져 있다. DisA의 diadenylate cyclase 활성은 Holliday junction과 같은 branched 형태의 핵산에 의해 크게 저해된다. DisA가 Holliday junction을 인식하게 되면 c-di-AMP의 합성을 멈추게 되고 이에 따라 cell 내의 c-di-AMP의 농도가 낮아지면서 손상 DNA가 있음을 알리는 신호로 작용하게 된다. Potassium 수송에 관여하는 기능을 가진 KtrA는 c-di-AMP 수용체 단백질이며 c-di-AMP는 KtrA의 RCK_C 도메인에 결합한다. KtrA의 RCK_C 도메인와 c-di-AMP의 복합체 구조를 규명한 결과, RCK_C 도메인이 dimer를 이루고 있으며 α3 helix 근처에 c-di-AMP가 U자 모양으로 결합하는 것을 관찰하였다. c-di-AMP 결합 부위의 아미노산들에 돌연변이를 도입하여 결합 강도를 측정한 결과 R169에 의한 수소결합과 isoleucine 잔기들이 이루는 소수성 표면이 c-di-AMP의 결합에 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 따라서, ATP와 ADP가 KtrA의 RCK_N 도메인에 결합하여 구조적인 변화를 유도해 potassium 수송을 활성화 시키는 반면 c-di-AMP는 KtrA의 RCK_C 도메인에 결합하여 수송을 비활성화 시킬 것으로 예상된다.
