Циклотид
| Семья циклотидов | |||
|---|---|---|---|
 Структура и последовательность прототипа циклотида калата B1 | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | Циклотид | ||
| Пфам | PF03784 | ||
| ИнтерПро | ИПР005535 | ||
| PROSITE | PDOC51052 | ||
| СКОП2 | 1кал / СКОПе / СУПФАМ | ||
| Суперсемейство OPM | 112 | ||
| белок OPM | 1нб1 | ||
| |||
В биохимии , циклотиды представляют собой небольшие дисульфидами богатые пептиды выделенные из растений. [1] Обычно содержащие 28-37 аминокислот , они характеризуются циклизованным пептидным остовом от головы к хвосту и переплетением трех дисульфидных связей . Эти комбинированные признаки получили название мотива циклического цистинового узла (CCK). К настоящему времени выделено и охарактеризовано более 100 циклотид из видов семейств Rubiaceae , Violaceae и Cucurbitaceae . Циклотиды также были идентифицированы в важных для сельского хозяйства семействах, таких как Fabaceae и Poaceae . [2] [3] [4]
Структура
[ редактировать ]Циклотиды имеют четко выраженную трехмерную структуру благодаря взаимосвязанным дисульфидным связям и циклическому пептидному остову. Петли основной цепи и выбранные остатки помечены на структуре, чтобы облегчить ориентацию. Аминокислотная последовательность (однобуквенное представление аминокислот) этого пептида указана на диаграмме последовательности справа. Одной из интересных особенностей циклических пептидов является то, что знание последовательности пептида не позволяет выявить предковую голову и хвост; знание последовательности гена . для этого необходимо [5] В случае калаты B1 указанные аминокислоты глицин (G) и аспарагин (N) представляют собой концевые остатки, которые соединяются пептидной связью для циклизации пептида.
Биологическая функция
[ редактировать ]
Сообщалось, что циклотиды обладают широким спектром биологической активности, включая анти - ВИЧ , инсектицидную , противоопухолевую , противообрастающую, антимикробную , гемолитическую , антагонистическую активность нейротензина , ингибирование трипсина и утеротоническую активность. [7] [8] [9] Способность вызывать сокращения матки послужила толчком к первоначальному открытию калаты B1. [10]
Мощная инсектицидная активность циклотидов калата B1 и калата B2 привела к убеждению, что циклотиды действуют как средства защиты растений-хозяев. Наблюдения за тем, что в одном растении могут присутствовать десятки или более циклотид, а архитектура циклотид включает консервативное ядро, на котором отображается ряд гипервариабельных петель, позволяют предположить, что циклотиды могут быть способны одновременно воздействовать на множество вредителей/патогенов. [11]
Аминокислотные последовательности
[ редактировать ]Анализ набора известных циклотид выявляет множество сходств последовательностей, которые важны для понимания их уникальных физико-химических свойств, биологической активности и гомологии .
Циклотиды делятся на два основных структурных подсемейства. Циклотиды Мебиуса, менее распространенные из двух, содержат цис -пролин в петле 5, который вызывает локальный поворот основной цепи на 180 ° (следовательно, сравнивая его с лентой Мебиуса ), тогда как циклотиды браслета этого не делают. Внутри этих подсемейств различия в последовательностях меньшие, чем между ними. Третье подсемейство циклотидов представляет собой ингибиторы трипсина и более гомологично семейству нециклических ингибиторов трипсина из растений тыквы, известных как ноттины или ингибиторные цистиновые узлы. [12] чем к другим циклотидам.
Удобно обсуждать последовательности с точки зрения сегментов основной цепи или петель между последовательными цистеина остатками . Шесть остатков цистеина абсолютно консервативны во всем циклотидном наборе и, по-видимому, способствуют сохранению мотива CCK. Хотя цистеины, по-видимому, необходимы для поддержания общей складки, считается, что несколько других остатков, высококонсервативных в циклотидах, обеспечивают дополнительную стабильность. [13]
Во всех известных циклотидах петля 1 является наиболее консервативной. Помимо шести остатков цистеина, остатки глутаминовой кислоты и серина / треонина петли 1 являются единственными остатками, имеющими 100% идентичность в подсемействах браслета и Мёбиуса. Более того, оставшийся остаток этой петли демонстрирует только консервативное изменение, т.е. глицин / аланин . Считается, что эта петля играет важную роль в стабилизации структуры циклотиды за счет водородных связей с остатками петель 3 и 5.
Петли 2–6 также обладают высококонсервативными особенностями, включая повсеместное присутствие только одной аминокислоты в петле 4, которая, вероятно, участвует в водородных связях между боковыми цепями. Другие консервативные остатки включают гидроксилсодержащий остаток в петле 3, остаток глицина в конечном положении петли 3, основной остаток и остаток пролина в предпоследнем положении в петле 5 браслетных циклотидов и циклотидов Мёбиуса соответственно, а также аспарагин ( или иногда аспарагиновая кислота ) остаток при предполагаемой циклизации [5] [6] [14] точка в петле 6. Интересно отметить, что высококонсервативными являются не только некоторые остатки, но и углы основной цепи и боковой цепи.
Учитывая недавние программы скрининга, предполагающие, что число циклотидных последовательностей вскоре может достичь тысяч. [15] была разработана база данных CyBase , которая дает возможность сравнивать последовательности и данные об активности циклотидов. Несколько других семейств кольцевых белков известны у бактерий, растений и животных и также включены в CyBase. [16]
Биосинтез
[ редактировать ]
Растения являются богатым источником рибосомально синтезируемых и посттрансляционно модифицированных циклических пептидов. Среди них циклотиды представляют собой генно-кодированные продукты, образующиеся в результате процессинга более крупного белка-предшественника . [5] Геном первого такого предшественника является Oak1 (клон Oldenlandia affinis kalata номер 1), который, как было показано, отвечает за синтез калаты B1. [6] Общая конфигурация белка-предшественника состоит из сигнальной последовательности эндоплазматического ретикулума , неконсервативной прообласти, высококонсервативной области, известной как N-концевой повтор (NTR), зрелого циклотидного домена и, наконец, короткого гидрофобного С-концевого участка. хвост. Циклотидный домен может содержать либо одну циклотидную последовательность, как в случае Oak1 , либо несколько копий, разделенных дополнительными последовательностями NTR, как это видно для Oak2 и Oak4 . В белках-предшественниках, содержащих несколько циклотидных доменов, все они могут быть либо идентичными последовательностями, как в случае Oak4 , либо разными циклотидами, как в Oak2, который содержит последовательности, соответствующие калате B3 и B6. [17]
был выделен фермент, ответственный за циклизацию основной цепи циклотидов Недавно из лекарственного растения Clitoria ternatea . Этот фермент получил название бутелаза 1 в соответствии с местным названием растения (Бунга Теланг Лигаза). Было показано, что бутелаза 1 циклизует линейный предшественник калаты B1 с выходом >95% и поразительной скоростью 5,42×10. 5 М −1 с −1 . Лигаза также циклизирует различные биоактивные пептиды животного происхождения, такие как человеческий противомикробный пептид гистатин, конотоксин конусной улитки и противомикробный пептид насекомых танатин. [18]
Приложения
[ редактировать ]Замечательная стабильность циклотидов означает, что они имеют широкий спектр потенциальных применений, основанных либо на их внутренней биологической активности, либо на возможности использования мотива CCK в качестве каркаса для стабилизации биологически активных эпитопов . [19] Интерес к ним недавно усилился после публикаций химической методологии, позволяющей синтетически получать циклотиды с высокими выходами. [20] [21] и способность каркаса CCK к аминокислотным заменам. [22] Но для того, чтобы молекулы были полезны в терапевтических целях, им необходимы полезные биофармацевтические характеристики, такие как устойчивость к протеолизу и проницаемость мембран. Площадь поверхности взаимодействия с мембраной и момент циклотид являются определяющими факторами в прогнозировании их биологической активности. [23] Недавнее исследование родственных белков цистиновых узлов в качестве потенциальных лекарств показало, что цистиновые узлы хорошо проникают через слизистую оболочку тонкой кишки крыс по сравнению с пептидными препаратами, не содержащими цистиновых узлов, такими как инсулин и бацитрацин . [24] Более того, ферментативное расщепление пептидных препаратов цистинового узла было связано лишь с несколькими протеазами, и было высказано предположение, что это ограничение можно преодолеть путем мутации определенных сайтов расщепления. Таким образом, некоторые белки цистиновых узлов удовлетворяют основным критериям доставки лекарств и представляют собой новых интересных кандидатов в качестве каркасов для доставки пептидных лекарств. [24] Разнообразный спектр внутренней активности циклотидов также по-прежнему открывает перспективы для широкого спектра применений в сельскохозяйственных областях против насекомых и нематод, особенно от Clitoria ternatea . [25] [26]
История
[ редактировать ]
Во время миссии Красного Креста по оказанию помощи в Демократической Республике Конго в 1960-х годах норвежский врач Лоренц Гран отметил, что во время родов некоторые африканские женщины использовали лечебный чай, приготовленный из листьев растения Oldenlandia affinis , чтобы вызвать роды и облегчить роды. [28] Позже было установлено, что активным ингредиентом является циклический пептид, названный калата B1, в честь традиционного названия чая калата-калата . Хотя исследования in vivo на крысах подтвердили утеротоническую активность очищенного пептида, прошло еще 20 лет, прежде чем были выяснены мотив циклического цистинового узла и структура очищенного пептида. [29]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Крейк DJ, Дейли Н.Л., Бонд Т., Уэйн С. (декабрь 1999 г.). «Растительные циклотиды: уникальное семейство циклических и узловатых белков, определяющее структурный мотив циклического цистинового узла». Журнал молекулярной биологии . 294 (5): 1327–36. дои : 10.1006/jmbi.1999.3383 . ПМИД 10600388 .
- ^ Пот А.Г., Колгрейв М.Л., Лайонс Р.Э., Дейли Н.Л., Крейк DJ (июнь 2011 г.). «Открытие необычного биосинтетического происхождения кольцевых белков бобовых» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (25): 10127–32. Бибкод : 2011PNAS..10810127P . дои : 10.1073/pnas.1103660108 . ПМК 3121837 . ПМИД 21593408 .
- ^ Нгуен Г.К., Чжан С., Нгуен Н.Т., Нгуен П.К., Чиу М.С., Харджоджо А., Там Дж.П. (июль 2011 г.). «Открытие и характеристика новых циклотидов произошли из химерных предшественников, состоящих из цепи альбумина-1 и циклотидных доменов в семействе Fabaceae» . Журнал биологической химии . 286 (27): 24275–87. дои : 10.1074/jbc.M111.229922 . ПМК 3129208 . ПМИД 21596752 .
- ^ Нгуен Г.К., Лиан Й., Панг Э.В., Нгуен П.К., Тран Т.Д., Там Дж.П. (февраль 2013 г.). «Открытие линейных циклотид у однодольных растений Panicum laxum семейства Poaceae дает новое представление об эволюции и распространении циклотид в растениях» . Журнал биологической химии . 288 (5): 3370–80. дои : 10.1074/jbc.M112.415356 . ПМЦ 3561556 . ПМИД 23195955 .
- ^ Jump up to: а б с Даттон Дж.Л., Ренда Р.Ф., Уэйн С., Кларк Р.Дж., Дейли Н.Л., Дженнингс К.В., Андерсон М.А., Крейк DJ (ноябрь 2004 г.). «Консервативные структурные элементы и элементы последовательности, участвующие в процессинге кольцевых белков, кодируемых генами» (PDF) . Журнал биологической химии . 279 (45): 46858–67. дои : 10.1074/jbc.M407421200 . ПМИД 15328347 .
- ^ Jump up to: а б с Дженнингс С., Уэст Дж., Уэйн С., Крейк Д., Андерсон М. (сентябрь 2001 г.). «Биосинтез и инсектицидные свойства растительных циклотидов: циклические узловатые белки Oldenlandia affinis» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (19): 10614–9. Бибкод : 2001PNAS...9810614J . дои : 10.1073/pnas.191366898 . ПМЦ 58514 . ПМИД 11535828 .
- ^ Крейк DJ, Дейли Н.Л., Малвенна Дж., План М.Р., Траби М. (октябрь 2004 г.). «Открытие, строение и биологическая активность циклотид». Современная наука о белках и пептидах . 5 (5): 297–315. дои : 10.2174/1389203043379512 . ПМИД 15544527 .
- ^ Йоранссон У, Шегрен М, Свангард Э, Класон П, Болин Л (август 2004 г.). «Обратимый противообрастающий эффект циклотида цикловиолацина O2 против ракушек». Журнал натуральных продуктов . 67 (8): 1287–90. дои : 10.1021/np0499719 . ПМИД 15332843 .
- ^ Густафсон К.Р., Макки Т.К., Бокеш Х.Р. (октябрь 2004 г.). «Анти-ВИЧ циклотиды». Современная наука о белках и пептидах . 5 (5): 331–40. дои : 10.2174/1389203043379468 . ПМИД 15544529 .
- ^ Гран Л (1970). «Окситотический принцип обнаружен в Oldenlandia affinis DC. Местный конголезский препарат калата-калата, используемый для ускорения родов» . Медд. Ни. Ферма. Сельск . 32 (12): 173–80. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года.
- ^ Герлах С.Л., Мондал Д. (2012). «Обильная биологическая активность циклотид» . Хроники молодых ученых . 3 (3): 169–177. дои : 10.4103/2229-5186.99559 .
- ^ Чиче Л., Хейтц А., Гелли Дж.С., Грейси Дж., Чау П.Т., Ха П.Т., Эрнандес Дж.Ф., Ле-Нгуен Д. (октябрь 2004 г.). «Ингибиторы сквоша: от структурных мотивов к макроциклическим узлам». Современная наука о белках и пептидах . 5 (5): 341–349. дои : 10.2174/1389203043379477 . ПМИД 15551519 . S2CID 22477930 .
- ^ Розенгрен К.Дж., Дейли Н.Л., План М.Р., Уэйн С., Крейк DJ (март 2003 г.). «Повороты, узлы и кольца в белках. Структурное определение циклотидного каркаса» . Журнал биологической химии . 278 (10): 8606–16. дои : 10.1074/jbc.M211147200 . ПМИД 12482868 .
- ^ Ирландия, округ Колумбия, Колгрейв М.Л., Нгуенконг П., Дейли Н.Л., Крейк DJ (апрель 2006 г.). «Открытие и характеристика линейного циклотида из Viola odorata: значение для обработки кольцевых белков». Журнал молекулярной биологии . 357 (5): 1522–35. дои : 10.1016/j.jmb.2006.01.051 . PMID 16488428 .
- ^ Симонсен С.М., Сандо Л., Ирландия, округ Колумбия, Колгрейв М.Л., Бхарати Р., Йоранссон У., Крейк DJ (ноябрь 2005 г.). «Континент разнообразия защитных пептидов растений: циклотиды австралийского гибантуса (Violaceae)» . Растительная клетка . 17 (11): 3176–89. дои : 10.1105/tpc.105.034678 . ПМК 1276036 . ПМИД 16199617 .
- ^ Крейк DJ (март 2006 г.). «Химия. Бесшовные белки свяжут концы с концами». Наука . 311 (5767): 1563–4. дои : 10.1126/science.1125248 . ПМИД 16543448 . S2CID 82425866 .
- ^ Jump up to: а б Шафи, Томас; Харрис, Карен; Андерсон, Мэрилин (1 января 2015 г.). «Биосинтез циклотидов». В Крейке, Дэвид Дж. (ред.). Глава восьмая — Биосинтез циклотидов . Растение циклотиды. Том. 76. Академическая пресса. стр. 227–269. дои : 10.1016/bs.abr.2015.08.005 . ISBN 9780128000304 .
- ^ Нгуен Г.К., Ван С., Цю Ю, Хему Икс, Лиан Ю, Там Дж.П. (сентябрь 2014 г.). «Бутелаза 1 представляет собой Asx-специфическую лигазу, обеспечивающую макроциклизацию и синтез пептидов» (PDF) . Химическая биология природы . 10 (9): 732–8. дои : 10.1038/nchembio.1586 . hdl : 10220/38787 . ПМИД 25038786 .
- ^ Крейк DJ, Симонсен С., Дейли Н.Л. (март 2002 г.). «Циклотиды: новые макроциклические пептиды как основа при разработке лекарств». Текущее мнение об открытии и разработке лекарств . 5 (2): 251–60. ПМИД 11926131 .
- ^ Гунасекера С., Дейли Н.Л., Андерсон М.А., Крейк DJ (сентябрь 2006 г.). «Химический синтез и биосинтез циклотидного семейства кольцевых белков» . ИУБМБ Жизнь . 58 (9): 515–24. дои : 10.1080/15216540600889532 . ПМИД 17002979 .
- ^ Пак С., Гунасекера С., Абойе Т.Л., Йоранссон У. (2010). «Эффективный подход к полному синтезу циклотидов с помощью Fmoc-SPPS с помощью микроволнового излучения». Межд. Дж. Пепт. Рез. Там . 16 (3): 167–176. дои : 10.1007/s10989-010-9221-0 . S2CID 7735199 .
- ^ Крейк DJ, Семазар М., Дейли Н.Л. (март 2006 г.). «Циклотиды и родственные им макроциклические пептиды как основа при разработке лекарств». Текущее мнение об открытии и разработке лекарств . 9 (2): 251–60. ПМИД 16566295 .
- ^ Парк С., Стрёмштедт А.А., Йоранссон У (2014). «Отношения структура-активность циклотида: качественные и количественные подходы, связывающие цитотоксическую и антигельминтную активность с кластеризацией физико-химических сил» . ПЛОС ОДИН . 9 (3): е91430. Бибкод : 2014PLoSO...991430P . дои : 10.1371/journal.pone.0091430 . ПМЦ 3969350 . ПМИД 24682019 .
- ^ Jump up to: а б Верле М., Шмитц Т., Хуанг Х.Л., Вентцель А., Кольмар Х., Бернкоп-Шнурх А. (апрель 2006 г.). «Потенциал микропротеинов с цистиновыми узлами как новых фармакофорных каркасов при пероральной доставке пептидных лекарств». Журнал по борьбе с наркотиками . 14 (3): 137–46. дои : 10.1080/10611860600648254 . ПМИД 16753827 . S2CID 22410195 .
- ^ Пот, АГ; Колгрейв, ML; Лайонс, RE; Дейли, Нидерланды; Крейк, диджей (18 мая 2011 г.). «Открытие необычного биосинтетического происхождения кольцевых белков бобовых» . Труды Национальной академии наук . 108 (25): 10127–10132. Бибкод : 2011PNAS..10810127P . дои : 10.1073/pnas.1103660108 . ПМК 3121837 . ПМИД 21593408 .
- ^ Гилдинг, Эдвард К.; Джексон, Марк А.; Пот, Аарон Г.; Энрикес, Соня Троейра; Прентис, Питер Дж.; Махатманто, Тунджунг; Крейк, Дэвид Дж. (декабрь 2015 г.). «Коэволюция и регуляция генов связывают циклические защитные пептиды растений с их целями» (PDF) . Новый фитолог . 210 (2): 717–30. дои : 10.1111/nph.13789 . ПМИД 26668107 .
- ^ Восс-Андре, Дж (2005). «Белковые скульптуры: строительные блоки жизни вдохновляют искусство». Леонардо . 38 : 41–45. дои : 10.1162/leon.2005.38.1.41 . S2CID 57558522 .
- ^ Гран Л., Сандберг Ф., Слеттен К. (июнь 2000 г.). «Oldenlandia affinis (R&S) DC. Растение, содержащее утероактивные пептиды, используемые в традиционной африканской медицине». Журнал этнофармакологии . 70 (3): 197–203. дои : 10.1016/S0378-8741(99)00175-0 . ПМИД 10837983 .
- ^ Сэтер О, Крейк DJ, Кэмпбелл И.Д., Слеттен К., Юул Дж., Норман Д.Г. (апрель 1995 г.). «Выяснение первичной и трехмерной структуры утеротонического полипептида калата B1». Биохимия . 34 (13): 4147–58. дои : 10.1021/bi00013a002 . ПМИД 7703226 .