Негомологичные изофункциональные ферменты (NISE) - это два эволюционно не связанных друг с другом фермента, которые катализируют одну и ту же химическую реакцию. Ферменты, которые катализируют одну и ту же реакцию, иногда называют аналогичными, а не гомологичными ( гомология (биология)) , однако более уместно называть их негомологичными изофункциональными ферментами, отсюда и аббревиатура (NISE). [1] Все эти ферменты служат одной и той же конечной функции, но у разных организмов без заметного сходства в первичных и, возможно, третичных структурах. [2]
Задний план
Ферменты классифицируются на основе рекомендаций Номенклатурного комитета Международного союза биохимии и молекулярной биологии, и им присваивается номер комиссии по ферментам, обычно называемый номером ЕС. [3] Каждой отдельной ферментативной активности дается рекомендуемое название и номер ЕС. Чтобы быть классифицированным как отдельный фермент, «требуется прямое экспериментальное доказательство того, что предложенный фермент действительно катализирует заявленную реакцию» [4]
История
Примеры неродственных ферментов со сходными функциями были отмечены еще в 1943 году Варбургом и Кристианом (1943), которые открыли две разные формы фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазы: одна встречается в дрожжевых клетках, а другая - в мышцах кролика. [5] В 1998 году в статье Марианы Омельченко и соавторов, озаглавленной « Аналогичные ферменты: независимые изобретения в эволюции ферментов» [5], было идентифицировано 105 номеров ЕС, содержащих два или более белков без детектируемого сходства последовательностей друг с другом. Из этих 105 номеров EC, 34 узла EC с отчетливыми структурными складками были локализованы, что указывает на независимое эволюционное происхождение. [1] В 2010 году в другой статье Марианы Омельченко и др., Озаглавленной « Негомологичные изофункциональные ферменты: систематический анализ альтернативных решений в эволюции ферментов» [1], было обнаружено 185 различных узлов ЭК, из которых только 74 из исходного списка 1998 г. их двенадцатилетний поиск и заключение, что NISE существует для до 10% биохимических реакций.
Происхождение
Возможным механизмом образования и развития этих ферментов является привлечение существующих ферментов [6], которые приобретают новые функции за счет модификации субстратной специфичности (в частности, в активном центре или рядом с ним [7] ) или модификации существующего каталитического механизма. [5]
Важность
Открытие NISE может выявить новые механизмы ферментативного катализа и конкретную информацию о биохимических путях, которые могут быть особенно важны для разработки лекарств. [3]
Примеры
Популярным примером NISE является семейство ферментов супероксиддисмутазы, которое содержит три различные формы (EC 1.15.1.1) [8]
- Fe, Mn супероксиддисмутаза
- Cu, Zn супероксиддисмутаза
- Никель супероксиддисмутаза
CuZn (SOD1) супероксиддисмутаза была открыта первой и представляет собой гомодимер, содержащий медь и цинк, часто обнаруживаемый во внутриклеточных цитоплазматических пространствах. [8] FeMn (SOD
2) представляет собой тетрамер, продуцируемый лидерным пептидом, нацеленным на марганецсодержащий фермент только в митохондриальных пространствах. [8] Супероксид никеля (SOD3) охарактеризован совсем недавно и существует только во внеклеточных пространствах. [8]
Другим популярным примером NISE являются ферменты семейства целлюлаз [9], в частности, 1,4-бета-целлобиозидаза целлюлозы, также состоящая из трех различных форм, обладающих эндонуклеазной активностью. (EC3.2.1.91).
- GH-48
- GH-7
- GH-6
Существуют два класса, один класс атакует восстанавливающий конец целлюлозы, а другой атакует невосстанавливающий конец. Ферменты семейства GH-6 атакуют невосстанавливающий конец целлюлозы, в то время как ферменты семейства GH-7 атакуют восстанавливающий конец. Ферменты семейства GH-48 являются ферментами только семейства бактерий и атакуют восстанавливающий конец целлюлозы.
Механизмы открытия
Типичные методы секвенирования генома, такие как BLAST и модель Скрытого Маркова , используются для поиска несоответствий и сходств в геномах. [3]
Рекомендации
- ^ a b c Омельченко, Марина В .; Гальперин, Михаил Юрьевич .; Волк, Юрий I .; Кунин, Евгений В. (2010). «Негомологичные изофункциональные ферменты: систематический анализ альтернативных решений в эволюции ферментов» . Биология Директ . 5 : 31. DOI : 10.1186 / 1745-6150-5-31 . PMC 2876114 . PMID 20433725 .
- ^ Гомеш, Монете Раджао; Гимарайнш, Ана Каролина Рамос; Де Миранда, Антонио Базилио (2011). «Специфические и негомологичные изофункциональные ферменты путей обработки генетической информации как потенциальные терапевтические мишени для Tritryps» . Ферментные исследования . 2011 : 1–8. DOI : 10.4061 / 2011/543912 . PMC 3145330 . PMID 21808726 .
- ^ а б в Отто, Томас Д .; Guimaraes, Ana Carolina R .; Degrave, Wim M .; Де Миранда, Антонио Б. (2008). «AnEnPi: идентификация и аннотация аналогичных ферментов» . BMC Bioinformatics . 9 : 544. DOI : 10,1186 / 1471-2105-9-544 . PMC 2628392 . PMID 19091081 .
- ^ «Номенклатура ферментов» . www.sbcs.qmul.ac.uk . Проверено 1 декабря 2017 .
- ^ а б в Гальперин, Михаил Юрьевич .; Уокер, Д. Роланд; Кунин, Евгений В. (1998). «Аналогичные ферменты: независимые изобретения в эволюции ферментов» . Геномные исследования . 8 (8): 779–790. DOI : 10.1101 / gr.8.8.779 . PMID 9724324 .
- ^ Фостер, Джереми М .; Дэвис, Пол Дж .; Раверди, Сильвина; Сибли, Мэрион Х .; Raleigh, Elisabeth A .; Кумар, Санджай; Карлоу, Клотильда KS (2010). «Эволюция бактериальных фосфоглицерат мутаз: негомологичные изофункциональные ферменты, претерпевающие потерю, усиление и боковые передачи генов» . PLOS One . 5 (10): e13576. Bibcode : 2010PLoSO ... 513576F . DOI : 10.1371 / journal.pone.0013576 . PMC 2964296 . PMID 21187861 .
- ^ Гальперин, Михаил Юрьевич .; Кунин, Евгений В. (2012). «Дивергенция и конвергенция в эволюции ферментов» . Журнал биологической химии . 287 (1): 21–28. DOI : 10.1074 / jbc.R111.241976 . PMC 3249071 . PMID 22069324 .
- ^ а б в г Зелко, Игорь Н .; Мариани, Томас Дж .; Фольц, Родни Дж. (2002). «Мультигенное семейство супероксиддисмутазы: сравнение структур, эволюции и экспрессии генов CuZn-SOD (SOD1), Mn-SOD (SOD2) и EC-SOD (SOD3)». Свободная радикальная биология и медицина . 33 (3): 337–349. DOI : 10.1016 / S0891-5849 (02) 00905-X . PMID 12126755 .
- ^ Сухарников, Леонид О .; Кантуэлл, Брайан Дж .; Подар, Мирча; Жулин, Игорь Б. (2011). «Целлюлазы: неоднозначные негомологичные ферменты в геномной перспективе» . Тенденции в биотехнологии . 29 (10): 473–479. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2011.04.008 . PMC 4313881 . PMID 21683463 .