Structural and mechanistic aspects of the type-3 copper protein tyrosinase

Abstract

Tyrosinases (TYRs) are type-3 copper proteins that catalyze the hydroxylation and oxidation of mono- and diphenols, respectively. These reactions are the rate-limiting steps in the biosynthesis of melanin, photoprotective pigments with implications ranging from fruit browning to severe human diseases, such as skin cancer. Recent studies have also uncovered novel roles of microbial TYRs in carbon storage and CO2 release within wetland ecosystems. Given their involvement in both melanin production and carbon cycling, TYRs are critical biotechnological and therapeutic targets. For decades, TYRs have been a subject of much discussion and ongoing debate due to their multifunctional active site, and the precise mechanism underlying the hydroxylation activity is still not fully understood. The work presented in this thesis focuses on elucidating the hydroxylation mechanism of TYR, highlighting its role in wetland environments, and exploring structural variations within its copper active site. The interplay between structural, biochemical, computational and spectroscopical data led us to propose an alternative autoactivation mechanism, characterize two novel bacterial TYRs from wetland ecosystems, and identify a unique type-3 copper site.

Tyrosinaser er type-3 kobberproteiner som katalyserer henholdsvis hydroksylering og oksidasjon av mono- og difenoler. Dette er hastighetsbegrensende trinn i syntesen av melanin, et fotobeskyttende pigment med betydning både for brunfarging av frukt og alvorlige menneskelige sykdommer, som hudkreft. Nyere studier har også avdekket andre funksjoner for mikrobielle tyrosinaser i forbindelse med karbonlagring og CO₂-utslipp i våtmarksøkosystemer. På grunn av deres rolle både i melaninproduksjon og karbonkretsløp, er tyrosinaser viktige bioteknologiske og terapeutiske mål. I flere tiår har tyrosinase vært omfattende diskutert på grunn av dens multifunksjonelle aktive sete, og den nøyaktige mekanismen bak hydroksyleringen er fortsatt ikke helt fullt forstått. Arbeidet som er presentert i denne avhandlingen fokuserer på å belyse denne hydroksyleringsmekanismen, fremheve tyrosinaser sin rolle i våtmarksmiljøer, og utforske strukturelle variasjoner i dens aktive sete. Samspillet mellom strukturelle, biokjemiske, beregningsmessige og spektroskopiske data ledet oss til å foreslå en alternativ autoaktiveringsmekanisme, karakterisere to nye bakterielle tyrosinaser fra våtmarksøkosystemer, samt identifisere et unikt type-3 kobbersete.