Нерибосомальный пептид

Нерибосомальные пептиды ( NRP ) представляют собой класс пептидов вторичных метаболитов , обычно продуцируемых микроорганизмами, такими как бактерии и грибы . Нерибосомальные пептиды также обнаружены у высших организмов, таких как голожаберники , но считается, что они производятся бактериями внутри этих организмов. ^[1] Хотя существует широкий спектр пептидов, которые не синтезируются рибосомами , термин «нерибосомальный пептид» обычно относится к очень специфическому набору из них, как обсуждается в этой статье.

Нерибосомальные пептиды синтезируются нерибосомальными пептидсинтетазами , которые, в отличие от рибосом , не зависят от информационной РНК . Каждая нерибосомальная пептидсинтетаза может синтезировать только один тип пептида. Нерибосомальные пептиды часто имеют циклическую и/или разветвленную структуру, могут содержать непротеиногенные аминокислоты , включая D -аминокислоты, нести такие модификации, как N -метиловые и N -формильные группы, или быть гликозилированными , ацилированными , галогенированными или гидроксилированными . Часто проводится циклизация аминокислот против «остова» пептида, в результате чего образуются оксазолины и тиазолины ; они могут быть дополнительно окислены или восстановлены. Иногда происходит обезвоживание серинов , в результате чего образуется дегидроаланин . Это лишь часть различных манипуляций и вариаций, которые могут выполнять нерибосомальные пептиды. Нерибосомальные пептиды часто представляют собой димеры или тримеры идентичных последовательностей, связанных вместе, циклизованных или даже разветвленных.

Нерибосомальные пептиды представляют собой весьма разнообразное семейство натуральных продуктов с чрезвычайно широким спектром биологической активности и фармакологических свойств. Часто они представляют собой токсины, сидерофоры или пигменты . Нерибосомальные пептидные антибиотики , цитостатики и иммунодепрессанты находятся в коммерческом использовании.

Примеры

Антибиотики
антибиотиков Предшественники
- ACV-трипептиды
Цитостатики
Иммунодепрессанты
- Циклоспорин (Циклоспорин А)
Сидерофоры
Пигменты
- Индигоидин
Токсины
- Микроцистины и
- Нодулярины , цианотоксины цианобактерий .
Полимеры для хранения азота
- Цианофицин - вырабатывается некоторыми цианобактериями.
Фитотоксины
- HC-токсин – фактор вирулентности, вырабатываемый фитопатогенным грибом Cochliobolus (Helminthosporium) Carbonum. ^[2]
- АМ-токсин – вырабатывается фитопатогенным грибом Alternaria alternata pv. Мали ^[3]
- викторин – хлорированный циклический пентапептид, вырабатываемый патогенным грибом Cochliobolus victoriae . Его нерибосомальный синтез не установлен.

Биосинтез

Нерибосомальные пептиды синтезируются одним или несколькими специализированными ферментами нерибосомальной пептид-синтетазой (NRPS) . Гены NRPS для определенного пептида обычно организованы в один оперон у бактерий и в кластеры генов у эукариот . Однако первым обнаруженным грибковым NRP был циклоспорин . Он синтезируется с помощью одного NRPS 1,6 МДа. ^[4] Ферменты организованы в модули, отвечающие за введение одной дополнительной аминокислоты. Каждый модуль состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерными участками длиной около 15 аминокислот. ^[5]

Биосинтез нерибосомальных пептидов имеет общие характеристики с биосинтезом поликетидов и жирных кислот . Из-за этого структурного и механистического сходства некоторые нерибосомальные пептидсинтетазы содержат модули поликетидсинтазы для встраивания субъединиц, полученных из ацетата или пропионата, в пептидную цепь. ^[6]

Обратите внимание, что до 10% процентов бактериальных NRPS заложены не в виде крупных модульных белков, а в виде отдельных ферментов. ^[6] Некоторые модули NRPS отличаются от стандартной структуры домена, и были описаны некоторые дополнительные домены. Существуют также ферменты NRPS, которые служат основой для других модификаций субстрата с целью включения необычных аминокислот. ^[7]

Модули

Порядок модулей и доменов полной нерибосомальной пептидсинтетазы следующий:

Модуль инициации или запуска : [F/NMT]-A-PCP-
Модули удлинения или расширения : -(C/Cy)-[NMT]-A-PCP-[E]-
Модуль завершения или освобождения : -(TE/R)

(Порядок: от N-конца к C-концу ; [] : необязательно; () : альтернативно)

Домены

F: Формилирование (необязательно)
A: Аденилирование (требуется в модуле)
PCP: тиолирование и белок-носитель пептида с прикрепленным 4'-фосфопантетеином (требуется в модуле)
C: Конденсация, образующая амидную связь (требуется в модуле)
Cy: циклизация в тиазолины или оксазолины (необязательно).
Ox: Окисление тиазолинов или оксазолинов до тиазолов или оксазолов (необязательно).
Красный: восстановление тиазолинов или оксазолинов до тиазолидинов или оксазолидинов (необязательно).
E: Эпимеризация в D-аминокислоты (необязательно)
NMT: N -метилирование (необязательно)
TE: Терминация тиоэстеразой (обнаружена только один раз в NRPS)
R: Восстановление до терминального альдегида или спирта (необязательно).
X: привлекает ферменты цитохрома P450 (необязательно).

Начальный этап

Загрузка: первая аминокислота активируется АТФ в виде смешанного ацил - фосфорной кислоты ангидрида с АМФ посредством А-домена и загружается на присоединенную к серину боковую цепь 4'-фосфопантетина ( 4'PP) PCP-домена, катализируемую PCP-доменом (тиолирование).
Некоторые домены A для своей активности требуют взаимодействия с MbtH-подобными белками. ^[8]^[9]
Иногда аминогруппа связанной аминокислоты формилируется F -доменом или метилируется NMT-доменом.

Стадии удлинения

Загрузка: аналогично начальному этапу, каждый модуль загружает свою конкретную аминокислоту в свой PCP-домен.
Конденсация : С-домен катализирует образование амидной связи между тиоэфирной группой растущей пептидной цепи предыдущего модуля с аминогруппой текущего модуля. Расширенный пептид теперь присоединен к текущему PCP-домену.
Конденсация - Циклизация : Иногда C-домен заменяется Cy-доменом, который, помимо образования амидной связи, катализирует реакцию сериновой , треониновой или цистеиновой боковой цепи с амидом- N , образуя тем самым оксазолидины и тиазолидины. , соответственно.
Эпимеризация : иногда E-домен эпимеризует самую внутреннюю аминокислоту пептидной цепи в D-конфигурацию.
Этот цикл повторяется для каждого модуля удлинения.

Стадия завершения

Терминация: ТЕ-домен (тиоэстеразный домен) гидролизует завершенную полипептидную цепь от PCP-домена предыдущего модуля, тем самым часто образуя циклические амиды ( лактамы ) или циклические сложные эфиры ( лактоны ).
Кроме того, пептид может высвобождаться посредством R-домена, который восстанавливает тиоэфирную связь до концевого альдегида или спирта .

Обработка

Конечный пептид часто модифицируют, например, путем гликозилирования , ацилирования , галогенирования или гидроксилирования . Ответственные ферменты обычно связаны с синтетазным комплексом, а их гены организованы в одни и те же опероны или кластеры генов .

Прайминг и деблокировка

Чтобы стать функциональными, 4'-фосфопантеиновая боковая цепь молекул ацил-КоА должна быть присоединена к PCP-домену с помощью 4'PP-трансфераз (прайминг), а S -присоединенная ацильная группа должна быть удалена специализированными ассоциированными тиоэстеразами ( TE-II) (Разблокировка).

Особенности субстрата

Большинство доменов обладают очень широкой субстратной специфичностью , и обычно только А-домен определяет, какая аминокислота включена в модуль. десять аминокислот, которые контролируют специфичность субстрата и могут рассматриваться как « кодоны Были идентифицированы » синтеза нерибосомальных пептидов, а рациональный дизайн белков позволил разработать методологии для компьютерного переключения специфичностей A-доменов. ^[10] Считается также, что конденсационный C-домен обладает субстратной специфичностью, особенно если он расположен позади модуля, содержащего E-домен эпимеразы, где он действует как «фильтр» для эпимеризованного изомера . Вычислительные методы, такие как SANDPUMA ^[11] и NRPSpredictor2, ^[12] были разработаны для прогнозирования специфичности субстрата на основе данных о последовательностях ДНК или белков.

Смешанный с поликетидами

Из-за сходства с поликетидсинтазами (ПКС) многие вторичные метаболиты фактически представляют собой слияния NRP и поликетидов. По сути, это происходит, когда модули PK следуют за модулями NRP, и наоборот. Хотя существует высокая степень сходства между доменами-носителями (PCP/ACP) обоих типов синтетаз, механизм конденсации отличается с химической точки зрения:

ПКС , образование углерод-углеродной связи посредством конденсации Кляйзена. реакции
NRPs, домен C катализирует образование амидной связи между аминокислотой, которую он добавляет к цепи (на PCP одного модуля) и образующимся пептидом (на PCP следующего модуля). ^[13]

См. также

Ссылки

^ Дай LX (2012). Дин К. (ред.). Органическая химия: достижения и перспективы . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 9783527333776 .
^ Уолтон Джей Ди (июль 2006 г.). «HC-токсин» . Фитохимия . 67 (14): 1406–13. Бибкод : 2006PChem..67.1406W . doi : 10.1016/j.phytochem.2006.05.033 . ПМИД 16839576 .
^ Джонсон Р.Д., Джонсон Л., Ито Ю., Кодама М., Отани Х., Кохмото К. (июль 2000 г.). «Клонирование и характеристика гена циклической пептидсинтетазы из патотипа яблока Alternaria alternata, продукт которого участвует в синтезе и патогенности AM-токсина». Молекулярные растительно-микробные взаимодействия . 13 (7): 742–53. дои : 10.1094/MPMI.2000.13.7.742 . ПМИД 10875335 . S2CID 36754751 .
^ Тургай К., Краузе М., Марахил М.А. (февраль 1992 г.). «Четыре гомологичных домена в первичной структуре GrsB связаны с доменами суперсемейства аденилатобразующих ферментов». Молекулярная микробиология . 6 (4): 529–46. дои : 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01498.x . ПМИД 1560782 . S2CID 25266991 .
^ Фишбах, Массачусетс, Уолш, Коннектикут (август 2006 г.). «Конвейерная энзимология поликетидных и нерибосомальных пептидных антибиотиков: логика, техника и механизмы». Химические обзоры . 106 (8): 3468–96. дои : 10.1021/cr0503097 . ПМИД 16895337 . S2CID 29014161 .
^ Jump up to: ^а ^б Ван Х, Фьюер Д.П., Холм Л., Роухиайнен Л., Сивонен К. (июнь 2014 г.). «Атлас путей биосинтеза нерибосомальных пептидов и поликетидов показывает распространенность немодулярных ферментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (25): 9259–64. Бибкод : 2014PNAS..111.9259W . дои : 10.1073/pnas.1401734111 . ПМК 4078802 . ПМИД 24927540 .
^ МакЭрлин М., Овербей Дж., Ван Ланен С. (март 2019 г.). «Уточнение и расширение функции и механизма нерибосомальной пептидсинтетазы» . Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 46 (3–4): 493–513. doi : 10.1007/s10295-018-02130-w . ПМК 6460464 . ПМИД 30673909 .
^ Фелнагл Э.А., Баркей Дж.Дж., Парк Х., Подевелс А.М., МакМахон М.Д., Дротт Д.В., Томас М.Г. (октябрь 2010 г.). «MbtH-подобные белки как неотъемлемые компоненты бактериальных нерибосомальных пептидсинтетаз» . Биохимия . 49 (41): 8815–7. дои : 10.1021/bi1012854 . ПМЦ 2974439 . ПМИД 20845982 .
^ Чжан В., Хемстра-младший, Уолш Коннектикут, Имкер Х.Дж. (ноябрь 2010 г.). «Активация домена аденилирования пацидамицина PacL MbtH-подобными белками» . Биохимия . 49 (46): 9946–7. дои : 10.1021/bi101539b . ПМЦ 2982891 . ПМИД 20964365 .
^ Чен С.И., Георгиев И., Андерсон А.С., Дональд Б.Р. (март 2009 г.). «Перестройка активности ферментов на основе вычислительной структуры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (10): 3764–9. Бибкод : 2009PNAS..106.3764C . дои : 10.1073/pnas.0900266106 . ПМЦ 2645347 . ПМИД 19228942 .
^ Шевретт М.Г., Айхелер Ф., Кольбахер О., Карри Ч.Р., Медема М.Х. (октябрь 2017 г.). «SANDPUMA: ансамблевые прогнозы химии нерибосомальных пептидов раскрывают биосинтетическое разнообразие актинобактерий» . Биоинформатика . 33 (20): 3202–3210. doi : 10.1093/биоинформатика/btx400 . ПМК 5860034 . ПМИД 28633438 .
^ Реттиг М., Медема М.Х., Блин К., Вебер Т., Рауш С., Кольбахер О. (июль 2011 г.). «NRPSpredictor2 — веб-сервер для прогнозирования специфичности домена аденилирования NRPS» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (проблема с веб-сервером): W362-7. дои : 10.1093/nar/gkr323 . ПМК 3125756 . ПМИД 21558170 .
^ Бладов, Кристьян; Шмейинг, Мартин Т. (2017). «Структурные и функциональные аспекты суперсемейства доменов конденсации нерибосомальных пептид-синтетаз: открытие, анализ и разнообразие» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1865 (11): 1587–1604. дои : 10.1016/j.bbapap.2017.05.010 . ПМИД 28526268 .

Дальнейшее чтение

Шварцер Д., Финкинг Р., Марахил М.А. (июнь 2003 г.). «Нерибосомальные пептиды: от генов к продуктам». Отчеты о натуральных продуктах . 20 (3): 275–87. дои : 10.1039/b111145k . ПМИД 12828367 .
Марахил М.А., Stachelhaus T, Mootz HD (ноябрь 1997 г.). «Модульные пептидсинтетазы, участвующие в синтезе нерибосомальных пептидов». Химические обзоры . 97 (7): 2651–2674. дои : 10.1021/cr960029e . ПМИД 11851476 .
Кабош С., Пупен М., Леклер В., Фонтен А., Жак П., Кучеров Г. (январь 2008 г.). «НОРИН: база данных нерибосомальных пептидов» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (Проблема с базой данных): D326-31. дои : 10.1093/нар/gkm792 . ПМК 2238963 . ПМИД 17913739 .

[1] Дай LX (2012). Дин К. (ред.). Органическая химия: достижения и перспективы . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 9783527333776 .

[2] Уолтон Джей Ди (июль 2006 г.). «HC-токсин» . Фитохимия . 67 (14): 1406–13. Бибкод : 2006PChem..67.1406W . doi : 10.1016/j.phytochem.2006.05.033 . ПМИД 16839576 .

[3] Джонсон Р.Д., Джонсон Л., Ито Ю., Кодама М., Отани Х., Кохмото К. (июль 2000 г.). «Клонирование и характеристика гена циклической пептидсинтетазы из патотипа яблока Alternaria alternata, продукт которого участвует в синтезе и патогенности AM-токсина». Молекулярные растительно-микробные взаимодействия . 13 (7): 742–53. дои : 10.1094/MPMI.2000.13.7.742 . ПМИД 10875335 . S2CID 36754751 .

[pmid1560782-4] Тургай К., Краузе М., Марахил М.А. (февраль 1992 г.). «Четыре гомологичных домена в первичной структуре GrsB связаны с доменами суперсемейства аденилатобразующих ферментов». Молекулярная микробиология . 6 (4): 529–46. дои : 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01498.x . ПМИД 1560782 . S2CID 25266991 .

[5] Фишбах, Массачусетс, Уолш, Коннектикут (август 2006 г.). «Конвейерная энзимология поликетидных и нерибосомальных пептидных антибиотиков: логика, техника и механизмы». Химические обзоры . 106 (8): 3468–96. дои : 10.1021/cr0503097 . ПМИД 16895337 . S2CID 29014161 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Ван Х, Фьюер Д.П., Холм Л., Роухиайнен Л., Сивонен К. (июнь 2014 г.). «Атлас путей биосинтеза нерибосомальных пептидов и поликетидов показывает распространенность немодулярных ферментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (25): 9259–64. Бибкод : 2014PNAS..111.9259W . дои : 10.1073/pnas.1401734111 . ПМК 4078802 . ПМИД 24927540 .

[7] МакЭрлин М., Овербей Дж., Ван Ланен С. (март 2019 г.). «Уточнение и расширение функции и механизма нерибосомальной пептидсинтетазы» . Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 46 (3–4): 493–513. doi : 10.1007/s10295-018-02130-w . ПМК 6460464 . ПМИД 30673909 .

[8] Фелнагл Э.А., Баркей Дж.Дж., Парк Х., Подевелс А.М., МакМахон М.Д., Дротт Д.В., Томас М.Г. (октябрь 2010 г.). «MbtH-подобные белки как неотъемлемые компоненты бактериальных нерибосомальных пептидсинтетаз» . Биохимия . 49 (41): 8815–7. дои : 10.1021/bi1012854 . ПМЦ 2974439 . ПМИД 20845982 .

[9] Чжан В., Хемстра-младший, Уолш Коннектикут, Имкер Х.Дж. (ноябрь 2010 г.). «Активация домена аденилирования пацидамицина PacL MbtH-подобными белками» . Биохимия . 49 (46): 9946–7. дои : 10.1021/bi101539b . ПМЦ 2982891 . ПМИД 20964365 .

[10] Чен С.И., Георгиев И., Андерсон А.С., Дональд Б.Р. (март 2009 г.). «Перестройка активности ферментов на основе вычислительной структуры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (10): 3764–9. Бибкод : 2009PNAS..106.3764C . дои : 10.1073/pnas.0900266106 . ПМЦ 2645347 . ПМИД 19228942 .

[11] Шевретт М.Г., Айхелер Ф., Кольбахер О., Карри Ч.Р., Медема М.Х. (октябрь 2017 г.). «SANDPUMA: ансамблевые прогнозы химии нерибосомальных пептидов раскрывают биосинтетическое разнообразие актинобактерий» . Биоинформатика . 33 (20): 3202–3210. doi : 10.1093/биоинформатика/btx400 . ПМК 5860034 . ПМИД 28633438 .

[12] Реттиг М., Медема М.Х., Блин К., Вебер Т., Рауш С., Кольбахер О. (июль 2011 г.). «NRPSpredictor2 — веб-сервер для прогнозирования специфичности домена аденилирования NRPS» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (проблема с веб-сервером): W362-7. дои : 10.1093/nar/gkr323 . ПМК 3125756 . ПМИД 21558170 .

[13] Бладов, Кристьян; Шмейинг, Мартин Т. (2017). «Структурные и функциональные аспекты суперсемейства доменов конденсации нерибосомальных пептид-синтетаз: открытие, анализ и разнообразие» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1865 (11): 1587–1604. дои : 10.1016/j.bbapap.2017.05.010 . ПМИД 28526268 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]