Uracil DNA glycosylases (UDGs) are important DNA repair enzymes that excise uracil from DNA, yielding an abasic site. Recently, UdgX, an unconventional UDG with extremely tight binding to uracil-containing DNA was discovered. The structure of UdgX from Mycobacterium smegmatis in complex with DNA shows an overall similarity to that of the family 4 UDGs except for a protruding loop at the entrance of the uracil binding pocket. Surprisingly, H109 in the loop was found to make a covalent bond to the abasic site to form a stable intermediate, while the excised uracil remained in the active-site pocket. H109 functions as a nucleophile to attack the oxocarbenium ion, substituting the catalytic water molecule found in other UDGs. This change from the catalytic water attack to a direct nucleophilic attack by the histidine residue is unprecedented. UdgX utilizes a unique mechanism of protecting cytotoxic abasic sites from exposure to the cellular environment.
Uracil DNA glycosylase는 DNA내에 발생하는 변이 중 하나인 uracil 염기를 절단하는 주요 DNA 복구 효소이다. 최근 보고된 신규 UDG 효소인 UdgX는 uracil-DNA에 강력하게 결합하는 특이 활성을 나타낸다. 본 연구에서는 Mycobacterium smegmatis 유래의 UdgX와 Uracil-DNA 복합체의 구조 규명을 통하여, UdgX 단백질의 활성 매커니즘을 규명하고자 하였다. X-선 결정학을 통해서 규명된 UdgX의 구조는 Family 4 UDG와 구조적 유사성을 보였고, UdgX의 고유 도메인은 활성 부위 주변에서 루프 (loop) 구조를 형성하고 있었다. UdgX-uracil DNA 복합체 구조에서, uracil 염기와 라이보스 사이의 글리코시드 결합(glycosidic bond)은 절단되었고, uracil 염기는 결합부위에 결합되어 있었다. 특히, uracil이 절단되면서 형성된 DNA의 비염기 부위(abasic site)는 109번 히스티딘과 공유결합을 이루며 안정한 중간체를 형성하였다. 비염기 부위와 109번 히스티딘 잔기 간의 공유결합은 추가적인 질량분석 실험을 통해서 확인되었다. UdgX의 109번 히스티딘의 위치는 다른 UDG에서 활성 물 분자의 위치를 대신하고 있었다. 또, 활성 부위 주변의 구조 분석과 돌연변이의 활성분석에서 52번 글루탐산의 변이는 안정 중간체 형성을 저해하였다. 이런 관찰의 결과들을 통해서, UdgX의 109번 히스티딘이 다른 UDG에서의 물 분자의 친핵체 역할을 대신하여, 옥소카르베니움(oxocarbenium) 이온을 공격하여 공유결합을 형성하는 새로운 매커니즘 모델을 제시하였다.
