A unique Ni2+ ‐dependent and methylglyoxal‐inducible rice glyoxalase I possesses a single active site and functions in abiotic stress response

Resumo

O sistema de glioxalase constitui a principal via para a desintoxicação da citotoxina produzida metabolicamente, o metilglioxal (MG), em um metabólito não tóxico, o d-lactato. A glioxalase I (GLY I) é uma metaloenzima evolutivamente conservada que requer íons metálicos divalentes para sua atividade: Zn2+ no caso de eucariotos ou Ni2+ para enzimas de origem procariótica. As proteínas GLY I de plantas fazem parte de uma família de vários membros; no entanto, não se sabe muito sobre sua função fisiológica, estrutura e dependência de metal. Neste estudo, relatamos uma GLY I exclusiva (OsGLYI-11.2) de Oryza sativa (arroz) que requer Ni2+ para sua atividade. Sua caracterização bioquímica, estrutural e funcional revelou que se trata de uma enzima monomérica, com um único local de coordenação de Ni2+, apesar de conter dois domínios GLY I. A exigência de Ni2+ como cofator por uma enzima envolvida na desintoxicação celular sugere uma função essencial para esse metal pesado tóxico na resposta ao estresse. Curiosamente, descobriu-se que a expressão da OsGLYI-11.2 é altamente induzida por substrato, sugerindo um modo importante de regulação de seus níveis celulares. A expressão heteróloga de OsGLYI-11.2 em Escherichia coli e na planta modelo Nicotiana tabacum (tabaco) resultou em melhor adaptação a vários estresses abióticos causados pelo aumento da eliminação de MG, menor relação Na+/K+ e manutenção dos níveis reduzidos de glutationa. Juntos, nossos resultados sugerem ligações interessantes entre os níveis celulares de MG, sua desintoxicação por GLY I e Ni2+ – o cofator de metal pesado de OsGLYI-11.2, em relação à resposta ao estresse e à adaptação em plantas.

Abstract

The glyoxalase system constitutes the major pathway for the detoxification of metabolically produced cytotoxin methylglyoxal (MG) into a non-toxic metabolite d-lactate. Glyoxalase I (GLY I) is an evolutionarily conserved metalloenzyme requiring divalent metal ions for its activity: Zn²⁺ in the case of eukaryotes or Ni²⁺ for enzymes of prokaryotic origin. Plant GLY I proteins are part of a multimember family; however, not much is known about their physiological function, structure and metal dependency. In this study, we report a unique GLY I (OsGLYI-11.2) from Oryza sativa (rice) that requires Ni²⁺ for its activity. Its biochemical, structural and functional characterization revealed it to be a monomeric enzyme, possessing a single Ni²⁺ coordination site despite containing two GLY I domains. The requirement of Ni²⁺ as a cofactor by an enzyme involved in cellular detoxification suggests an essential role for this otherwise toxic heavy metal in the stress response. Intriguingly, the expression of OsGLYI-11.2 was found to be highly substrate inducible, suggesting an important mode of regulation for its cellular levels. Heterologous expression of OsGLYI-11.2 in Escherichia coli and model plant Nicotiana tabacum (tobacco) resulted in improved adaptation to various abiotic stresses caused by increased scavenging of MG, lower Na⁺/K⁺ ratio and maintenance of reduced glutathione levels. Together, our results suggest interesting links between MG cellular levels, its detoxification by GLY I, and Ni²⁺ – the heavy metal cofactor of OsGLYI-11.2, in relation to stress response and adaptation in plants.