Structural and Biophysical Characterization of human NDRG3, a key component of lactate-induced hypoxia responses

Abstract

The N-Myc downstream-regulated gene (NDRG) has been known to play promiscuous roles in cell proliferation, differentiation, and hypoxia-induced cancer metabolism. Especially, NDRG3 is related to proliferation and migration of prostate cancer cells. Furthermore, it has been reported to implicate lactate-triggered hypoxia responses and tumorigenesis. However, molecular mechanisms of the functions of NDRG3 remain unclear. Here, I report the crystal structure of human NDRG3 at 2.2 Å resolution with one homohexamer in an asymmetric unit. Although NDRG3 adopts an α/β-hydrolase superfamily fold, complete substitution of non-catalytic residues for the canonical catalytic triad and steric hindrance around the pseudo-active site seem to disable catalytic functions of α/β-hydrolase. NDRG3 shares a high similarity to NDRG2 in terms of amino acid sequence and structure. Interestingly, NDRG3 exhibits remarkable structural differences in a flexible loop corresponding to helix α6 of NDRG2 that is responsible for tumor suppression. Thus, this flexible loop region seems to play a distinct role in oncogenic progression induced by NDRG3. Collectively, these studies could provide structural and biophysical insights into the molecular characteristics of NDRG3.

N-Myc downstream-regulated gene 단백질은 α/β-hydrolase 구조를 지니고 있는 군으로 지금까지 세포 증식, 분화, 그리고 저산소증에서 유도되는 암세포의 대사에 큰 영향을 끼치는 것으로 보고되었다. NDRG 단백질 군은 4가지 동형 단백질이 존재하며 이 중 NDRG3 단백질은 전립선 암에서의 증식 및 전이와 밀접하게 관련이 있으며, 특히 젖산 유도의 저산소증 반응 및 종양 발생에서 핵심적인 역할을 할 것으로 밝혀졌다. 본 논문에서는 NDRG3 단백질의 결정 구조를 2.2 Å 해상도로 구조를 규명하고, NDRG3 단백질의 생물물리학적 특징을 제시하였다. NDRG3는 용액 상에서 단량체 혹은 이량체로 존재하며 결정 구조를 통해 이량체의 결합 구조를 제시하였다. NDRG3는 구조적으로 α/β-hydrolase 부류와 비슷하지만 활성 부위에 핵심적인 잔기가 비활성화된 잔기로 변형되어 있어 가수분해 기능이 없을 것으로 추측할 수 있다. 또한 NDRG3의 구조는 기존에 밝혀진 NDRG2 단백질과 아미노산 서열, 구조적으로 비슷하지만, NDRG2의 종양억제기능으로 핵심적인 α6 헬릭스 구조 부분이 유연한 루프 형태로 바뀐 것을 확인할 수 있었다. 이러한 구조적 차이를 토대로 NDRG3는 종양억제기능을 가진 NDRG2와는 다른 역할을 할 것으로 유추한다. 따라서, 본 연구결과는 NDRG3의 분자 범위에서의 연구를 수행하는데 구조적, 생물물리학적 특징을 제시하였다.