Нерибосомные пептиды ( NRP ) представляют собой класс вторичных метаболитов пептидов , обычно продуцируемых такими микроорганизмами, как бактерии и грибы . Нерибосомные пептиды также обнаруживаются у высших организмов, таких как голожаберные , но считается, что они производятся бактериями внутри этих организмов. [1] Хотя существует широкий спектр пептидов, которые не синтезируются рибосомами , термин « нерибосомный пептид» обычно относится к очень специфическому набору пептидов, как обсуждается в этой статье.
Нерибосомные пептиды синтезируются негрибосомными пептидными синтетазами , которые, в отличие от рибосом , не зависят от матричной РНК . Каждая нерибосомальная пептидная синтетаза может синтезировать только один тип пептида. Нерибосомальных пептиды часто имеют циклические и / или разветвленные структуры, может содержать не - протеиногенные аминокислоты , включая D - аминокислоту, модификацию , перенесенную как N - метил и N - формил группы, или гликозилированные , ацилирует , галогенированный или гидроксилированное. Часто выполняется циклизация аминокислот против пептидного «скелета», в результате чего образуются оксазолины и тиазолины ; они могут быть дополнительно окислены или восстановлены. Иногда происходит обезвоживание серинов , в результате чего образуется дегидроаланин . Это всего лишь несколько примеров различных манипуляций и вариаций, которые могут выполнять нерибосомные пептиды. Нерибосомные пептиды часто представляют собой димеры или тримеры идентичных последовательностей, связанных вместе или циклизованных, или даже разветвленных.
Нерибосомные пептиды - это очень разнообразное семейство натуральных продуктов с чрезвычайно широким спектром биологической активности и фармакологических свойств. Часто это токсины, сидерофоры или пигменты . Нерибосомные пептидные антибиотики , цитостатики и иммунодепрессанты используются в коммерческих целях.
Примеры
- Антибиотики
- Актиномицин
- Бацитрацин
- Кальцийзависимый антибиотик
- Даптомицин
- Ванкомицин
- Тейксобактин
- Тироцидин
- Грамицидин
- Цвиттермицин А
- Предшественники антибиотиков
- Цитостатики
- Эпотилон
- Блеомицин
- Иммунодепрессанты
- Циклоспорин (Циклоспорин А)
- Сидерофоры
- Пиовердин
- Энтеробактин
- Миксохелин А
- Пигменты
- Индигоидин
- Токсины
- Микроцистины и
- Nodularins , цианотоксины от цианобактерий .
- Полимеры для хранения азота
- Цианофицин - продуцируется некоторыми цианобактериями.
- Фитотоксины
- HC-токсин - фактор вирулентности, вырабатываемый патогенным грибом растений Cochliobolus (Helminthosporium) carbonum [2]
- AM-токсин - вырабатывается патогенным грибком Alternaria alternata pv. Мали [3]
- Викторин - хлорированный циклический пентапептид, вырабатываемый патогенным грибком Cochliobolus victoriae . Его негрибосомный синтез не установлен.
Биосинтез
Нерибосомальных пептиды синтезируют путем одного или нескольких специализированных нерибосомальных пептид-синтетазы (NRPS) ферменты . 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 одним NRPS 1,6MDa. [4] Ферменты организованы в модули, которые отвечают за введение одной дополнительной аминокислоты. Каждый модуль состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерами из примерно 15 аминокислот. [5]
Биосинтез из пептидов нерибосомальных акций характеристик с поликетидный и жирной кислоты биосинтеза. Из-за этих структурных и механистических сходств некоторые нерибосомные пептидные синтетазы содержат поликетидсинтазные модули для встраивания субъединиц, производных от ацетата или пропионата, в пептидную цепь. [6]
Обратите внимание, что до 10% бактериальных NRPS представлены не в виде больших модульных белков, а в виде отдельных ферментов. [6] Некоторые модули NRPS отклоняются от стандартной доменной структуры, и были описаны некоторые дополнительные домены. Существуют также ферменты NRPS, которые служат каркасом для других модификаций субстрата с целью включения необычных аминокислот. [7]
Модули
Порядок модулей и доменов полной нерибосомальной пептидной синтетазы следующий:
- Инициирование или Запуск модуля: [F / NMT] -A-PCP-
- Удлинение или Продление модулей: - (С / Су) - [NMT] -A-PCP- [Е] -
- 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: белок- носитель тиоляции и пептид с присоединенным 4'-фосфопантетеином (требуется в модуле)
- C: Конденсация с образованием амидной связи (требуется в модуле)
- Cy: Циклизация в тиазолин 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: Прерывание тио-эстеразой (обнаруживается только один раз в NRPS)
- R: Восстановление до концевого альдегида или спирта (необязательно)
- X: задействует ферменты цитохрома P450 (необязательно)
Стартовый этап
- Загрузка: Первая аминокислота активируется с АТФ в виде смешанного ацил - фосфорной кислоты , ангидрида с AMP по А-доменом , и наносили на серин -attached 4'-фосфо- пантетин (4'PP) боковую цепь из PCP-домена , катализируемой PCP-доменом (тиоляция).
- Некоторые A-домены требуют взаимодействия с MbtH-подобными белками для своей активности. [8] [9]
- Иногда аминогруппа связанной аминокислоты формилируется F-доменом или метилируется NMT-доменом.
Стадии удлинения
- Загрузка: аналогично начальной стадии каждый модуль загружает свою конкретную аминокислоту в свой PCP-домен.
- Конденсация : C-домен катализирует образование амидной связи между тиоэфирной группой растущей пептидной цепи из предыдущего модуля с аминогруппой текущего модуля. Удлиненный пептид теперь присоединен к текущему PCP-домену.
- Конденсация - Циклизация : иногда C-домен заменяется Cy-доменом, который, помимо образования амидной связи, катализирует реакцию боковой цепи серина , треонина или цистеина с амидом- N , тем самым образуя оксазолидины и тиазолидин. , соответственно.
- Эпимеризация : Иногда E-домен эпимеризует самую внутреннюю аминокислоту пептидной цепи в D-конфигурацию.
- Этот цикл повторяется для каждого модуля удлинения.
Этап прекращения
- Окончание: TE-домен (тио-эстеразный домен) гидролизует завершенную полипептидную цепь из PCP-домена предыдущего модуля, тем самым часто образуя циклические амиды ( лактамы ) или циклические сложные эфиры ( лактоны ).
- Также пептид может высвобождаться R-доменом, который восстанавливает тиоэфирную связь до концевого альдегида или спирта .
Обработка
Конечный пептид часто модифицируют, например, гликозилированием , ацилированием , галогенированием или гидроксилированием . Ответственные ферменты обычно связаны с комплексом синтетазы, и их гены организованы в одни и те же опероны или кластеры генов .
Грунтовка и деблокирование
Чтобы стать функциональной, 4'-фосфопантетеиновая боковая цепь молекул ацил-КоА должна быть присоединена к PCP-домену с помощью 4'PP трансфераз (прайминг), а ацильная группа, присоединенная к S, должна быть удалена специализированными ассоциированными тиоэстеразами ( TE-II) (Деблокирование).
Особенности субстрата
Большинство доменов обладают очень широкой субстратной специфичностью, и обычно только А-домен определяет, какая аминокислота включена в модуль. Были идентифицированы десять аминокислот, которые контролируют субстратную специфичность и могут считаться « кодонами » нерибосомного пептидного синтеза, и рациональный дизайн белка дал методологию для компьютерного переключения специфичности A-доменов. [10] конденсация С-домен также полагает, имеет субстратную специфичность, особенно если они расположена позади модуля эпимераза Е-домен , содержащий , где она функционирует в качестве «фильтра» для epimerized изомера . Вычислительные методы, такие как SANDPUMA [11] и NRPSpredictor2, [12] , были разработаны для прогнозирования субстратной специфичности по данным ДНК или последовательностей белков.
Смешивается с поликетидами
Из-за сходства с поликетидсинтазами (PKS) 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:
- PKS, образование углерод-углеродной связи посредством реакции конденсации Клейзена
- NRPs, C-домен катализирует образование амидной связи между аминокислотой, которую он добавляет в цепь (на PCP одного модуля), и растущим пептидом (на PCP следующего модуля). [13]
Смотрите также
- Эпотилон
- Эстераза
- Синтезированные рибосомами и посттрансляционно модифицированные пептиды
Рекомендации
- ^ Дай Л. (2012). Дин К. (ред.). Органическая химия: открытия и перспективы . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 9783527333776.
- ^ Уолтон Дж. Д. (июль 2006 г.). «ХК-токсин» . Фитохимия . 67 (14): 1406–13. DOI : 10.1016 / j.phytochem.2006.05.033 . PMID 16839576 .
- ^ Johnson RD, Johnson L, Itoh Y, Kodama M, Otani H, Kohmoto K (июль 2000 г.). «Клонирование и характеристика гена циклической пептид синтетазы из патотипа яблока Alternaria alternata, продукт которого участвует в синтезе AM-токсина и патогенности» . Молекулярные взаимодействия растений и микробов . 13 (7): 742–53. DOI : 10.1094 / MPMI.2000.13.7.742 . PMID 10875335 .
- ^ Тургай К., Краузе М., Марахиэль М.А. (февраль 1992 г.). «Четыре гомологичных домена в первичной структуре GrsB связаны с доменами суперсемейства аденилат-образующих ферментов». Молекулярная микробиология . 6 (4): 529–46. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.1992.tb01498.x . PMID 1560782 .
- ^ Фишбах М.А., Уолш СТ (август 2006 г.). «Сборочная энзимология поликетидных и нерибосомных пептидных антибиотиков: логика, машины и механизмы». Химические обзоры . 106 (8): 3468–96. DOI : 10.1021 / cr0503097 . PMID 16895337 . S2CID 29014161 .
- ^ а б Ван Х., Февер Д.П., Холм Л., Роуиайнен Л., Сивонен К. (июнь 2014 г.). «Атлас путей биосинтеза нерибосомальных пептидов и поликетидов выявляет частое появление немодульных ферментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (25): 9259–64. Bibcode : 2014PNAS..111.9259W . DOI : 10.1073 / pnas.1401734111 . PMC 4078802 . PMID 24927540 .
- ^ МакЭрлин М., Овербэй Дж., Ван Ланен С. (март 2019 г.). «Уточнение и расширение функции и механизма нерибосомальной пептидной синтетазы» . Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 46 (3–4): 493–513. DOI : 10.1007 / s10295-018-02130-ш . PMC 6460464 . PMID 30673909 .
- ^ Фелнагл Э.А., Баркей Дж. Дж., Пак Х., Подевелс А.М., МакМахон, доктор медицины, Дротт Д.В., Томас М.Г. (октябрь 2010 г.) «MbtH-подобные белки как неотъемлемые компоненты бактериальных нерибосомных пептидных синтетаз» . Биохимия . 49 (41): 8815–7. DOI : 10.1021 / bi1012854 . PMC 2974439 . PMID 20845982 .
- ^ Чжан В., Хемстра-младший, Уолш Коннектикут, Имкер Х. Дж. (Ноябрь 2010 г.). «Активация домена аденилирования пакидамицина PacL с помощью MbtH-подобных белков» . Биохимия . 49 (46): 9946–7. DOI : 10.1021 / bi101539b . PMC 2982891 . PMID 20964365 .
- ^ Чен С.Ю., Георгиев И., Андерсон А.С., Дональд Б.Р. (март 2009 г.). «Перестройка ферментативной активности на основе вычислительной структуры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (10): 3764–9. Bibcode : 2009PNAS..106.3764C . DOI : 10.1073 / pnas.0900266106 . PMC 2645347 . PMID 19228942 .
- ^ Chevrette MG, Aicheler F, Kohlbacher O, Currie CR, Medema MH (октябрь 2017 г.). «SANDPUMA: ансамблевые прогнозы химии нерибосомных пептидов показывают биосинтетическое разнообразие актинобактерий» . Биоинформатика . 33 (20): 3202–3210. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btx400 . PMC 5860034 . PMID 28633438 .
- ^ Рёттиг 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. DOI : 10.1093 / NAR / gkr323 . PMC 3125756 . PMID 21558170 .
- ^ Bloudoff, Кристьян; Шмайнг, Мартин Т. (2017). «Структурные и функциональные аспекты надсемейства домена конденсации нерибосомальной пептид синтетазы: открытие, анализ и разнообразие» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1865 (11): 1587–1604. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2017.05.010 . PMID 28526268 .
дальнейшее чтение
- Schwarzer D, Finking R, Marahiel MA (июнь 2003 г.). «Нерибосомальные пептиды: от генов к продуктам». Отчеты о натуральных продуктах . 20 (3): 275–87. DOI : 10.1039 / b111145k . PMID 12828367 .
- Marahiel MA, Stachelhaus T, Mootz HD (ноябрь 1997 г.). «Модульные пептидные синтетазы, участвующие в синтезе нерибосомальных пептидов». Химические обзоры . 97 (7): 2651–2674. DOI : 10.1021 / cr960029e . PMID 11851476 .
- Кабош С., Пупен М., Леклер В., Фонтен А., Жак П., Кучеров Г. (январь 2008 г.). «NORINE: база данных нерибосомных пептидов» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (выпуск базы данных): D326-31. DOI : 10.1093 / / нар gkm792 . PMC 2238963 . PMID 17913739 .