Инкапсулин
Семейство белков
Электронная структура белка энцефалопатии Myxococcus xanthus (EncA), запись PDB 4pt2
Идентификаторы
СимволЛиноцин_М18
ПфамПФ04454
ИнтерПроIPR007544
Доступные структуры белков:
Пфам  структуры / ECOD  
ПДБRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsumрезюме структуры

Инкапсулины — это семейство бактериальных белков, которые служат основными структурными компонентами нанокомпартментов инкапсулина . [1] Существует несколько различных белков инкапсулина, включая EncA, который образует оболочку, и EncB, EncC и EncD, которые образуют ядро. [1] Они встречаются в бактериях и археях. Они служат внутриклеточными структурами, которые разделяют определенные биохимические реакции. Они являются высокоуниверсальными системами и защищают белки-грузы от повреждения окружающей средой и оптимизируют эффективность ферментативных процессов.

Инкапсулины используются в синтетической биологии, микробиологии, структурной биологии, нанотехнологии и биотехнологии. Их трудно обнаружить из-за их сходства с фаговыми белками. [2]

История

Инкапсулины были открыты в 1994 году как новый класс прокариотических компартментов. [3] Прокариотические клетки обычно не имеют мембранных компартментов, типичных для эукариот . Вместо этого у них есть многочисленные белковые компартменты, которые способны накапливать большое количество молекул. [3] Системы инкапсулинов были впервые идентифицированы с помощью биоинформатики , которая связала белки, подобные капсидам, со специфическими оперонами в бактериальных и архейных геномах . [4]

Когда в 1994 году были обнаружены белковые нанокомпартменты, позднее переименованные в инкапсулины, они были обнаружены в надосадочной жидкости культуры Brevibacterium linens . [3] Эта бактерия присутствует на коже человека.

С 1994 года было идентифицировано более 6000 систем в 31 бактериальном и четырех архейных типах. [5] Также было обнаружено, что инкапсулины встречаются у экстремофилов, населяющих гидротермальные источники. [6]

В 2008 году инкапсулины были идентифицированы как белковые системы для компартментализации, выполняющие определенные функции внутри клеточных организмов. [4] 2008 год также стал временем, когда их начали называть инкапсулинами. Недавние достижения в области метагеномики , криоэлектронной микроскопии и рентгеновской кристаллографии расширили известное разнообразие и выявили более сложные детали о сборке и функциональности инкапсулинов.

Структура

Оболочки инкапсулина представляют собой икосаэдрические комплексы (12 вершин, 20 граней, 30 ребер), образованные в результате самосборки протомеров . [3] Эти оболочки инкапсулина имеют диаметр от 24 до 42 нм и определяются складкой HK97 их белка оболочки. [4] Протомер с складкой HK97 имеет приблизительно треугольную форму и состоит из трех консервативных доменов: аксиального домена, периферического домена и расширенной петли. Размер и симметрия капсида определяются числом триангуляции (T), которое определяет количество субъединиц в сборке. Например:

  • Инкапсулины T = 1 ( Thermotoga martima ) состоят из 60 протомеров.
  • Т=3 инкапсулины ( Pyrococcus Furiosus ) состоят из 180 протомеров.
  • Инкапсулины T = 4 ( Quasibacillus thermotolerans ) состоят из 240 протомеров. [7]

Функция

Инкапсулины выполняют множество физиологических функций, включая катализ специализированных реакций с участием реактивных видов, детоксикацию железа и хранение минералов, реакцию на окислительный стресс и вторичный метаболизм. Существуют также ферритиноподобные инкапсулины. [ 2] Инкапсулины из бактерий и экстремофилов могут выдерживать широкий диапазон температур и широкий pH . Их также можно сконструировать так, чтобы они имели поверхностно-экспонированные белки слияния оболочек. [8]

Механизм загрузки груза

Инкапсулины селективно инкапсулируют белки груза посредством нацеливания. Они используют C-концевые целевые пептиды (TP), обнаруженные в инкапсулинах семейства 1, и N-концевые целевые домены (TD), обнаруженные в инкапсулинах семейства 2. Они взаимодействуют с внутренней частью оболочки во время самосборки, обеспечивая точную загрузку груза. Это было исследовано для применения в синтетической биологии . [6]

Геномная организация

Системы инкапсулина кодируются в оперонах вместе с их белками-грузами, а иногда и вместе с их вспомогательными генами. Опероны сохраняются в различных организмах и могут включать:

  • Гены одного или нескольких грузовых белков со специфическими целевыми пептидами.
  • Регуляторные или вспомогательные гены, которые улучшают функциональность или взаимодействие с другими путями.
  • Гены, кодирующие белок оболочки инкапсулина.

Классификация

Компоненты капсида-инкапсулина показаны фиолетовым цветом. Белки-грузы показаны бирюзовым цветом. Негрузовые вспомогательные компоненты показаны серым цветом. Пунктирные линии показывают необязательные компоненты оперона.

Инкапсулины можно разделить на четыре различных семейства в зависимости от типа груза и структуры оперона.

Семья 1

Эти инкапсулины, вероятно, развились в ответ на потребность во внутриклеточном гомеостазе железа. Это семейство инкапсулинов обычно инкапсулирует пероксидазы ферритиноподобных белков. [9] Они характеризуются белками оболочки инкапсулина, кодируемыми вместе с ферритиноподобными белками в качестве груза. Опероны обычно включают гены ферментов ферроксидазы , критически важных для окисления железа. Они принадлежат к семейству Pfam (инкапсулирующий белок для пероксидазы) и используют короткое нацеливание С-конца (TP) для загрузки груза. Это семейство инкапсулинов обеспечивает контролируемую среду для хранения и детоксикации железа, а также для предотвращения окислительного стресса.

Семья 2

Это семейство является крупнейшим. Их системы обнаружены в нескольких бактериальных филах. Они обычно связаны с различными ферментами-грузами, такими как цистеиндесульфураза, полипренилтрансфераза, терпенциклаза и ксилулозокиназа . [ 6 ] Это семейство может содержать домены связывания циклического нуклеотидмонофосфата (cNMP) и использовать более крупные N-концевые целевые домены (TD) для инкапсуляции груза. [9] Это семейство разделено на подсемейства 2A и 2B. 2A отличается наличием доменов связывания cNMP. Это семейство инкапсулинов часто инкапсулирует ферменты, которые участвуют в метаболизме серы и углерода .

Семья 3

Это семейство — семейство капсидов фагов. Эти инкапсулины в основном встречаются в кластерах генов биосинтеза. [9] Они связаны со специфическими путями в Actinobacteria и Proteobacteria . Их опероны могут взаимодействовать с липидами . В настоящее время они являются предполагаемыми и не имеют экспериментального подтверждения. [10]

Семья 4

Это семейство представляет собой семейство белков инкапсулинов, содержащих домен DUF1884. [9] Они имеют укороченную форму HK97-fold и считаются предполагаемыми, а их способность к самосборке и инкапсуляции грузовых белков пока неизвестна. [10] Это семейство ограничено термофильными и анаэробными микроорганизмами из гидротермальных источников. Предполагается, что они образуют специализированные нанокомпартменты, адаптированные к экстремальным условиям окружающей среды.

Биомедицинские и биотехнологические приложения

Инкапсулины стали широко использоваться и привлекают все больше внимания в биомолекулярной и белковой инженерии из-за их сильных свойств самосборки и простоты проектирования. Они используются и имеют значительный потенциал для:

  • Доставка лекарств: разработана для целенаправленной доставки терапевтических агентов. [10]
  • Визуализация: Функционализированы для использования в качестве контрастных веществ при МРТ.
  • Вакцины: Поверхностное отображение антигенов для разработки вакцин, например, исследования антигена SARS-CoV-2.
  • Биореакторы: используются как наноконтейнеры для ферментативных реакций. [3]
  • Биосенсоры: используйте специфичность инкапсуляции с металлами для создания диагностических инструментов.

Текущие исследования

Недавние и текущие исследования направлены на открытие новых систем инкапсулина с помощью метагеномики и на продолжение изучения их биотехнологического потенциала. В синтетической биологии исследования сосредоточены на разработке систем инкапсулина для выполнения новых задач, таких как синтез лекарств или биоремедиация . [8]

Ссылки

  1. ^ ab McHugh CA, Fontana J, Nemecek D, Cheng N, Aksyuk AA, Heymann JB, Winkler DC, Lam AS, Wall JS, Steven AC, Hoiczyk E (сентябрь 2014 г.). «Вирусный капсид-подобный нанокомпартмент, который хранит железо и защищает бактерии от окислительного стресса». The EMBO Journal . 33 (17): 1896– 911. doi :10.15252/embj.201488566. PMC  4195785. PMID  25024436 .
  2. ^ ab Кашиф-Хан Н., Савва Р., Фрэнк С. (7 марта 2024 г.). «Изучение метагеномных данных для новых бактериальных нанокомпартментов». NAR Genomics & Bioinformatics . 6 (1): lqae025. doi :10.1093/nargab/lqae025.
  3. ^ abcde Чмелюк, Нелли С.; Ода, Вера В.; Габашвили, Анна Н.; Абакумов, Максим А. (17 февраля 2023 г.). «Инкапсулины: структура, свойства и биотехнологическое применение». Биохимия (Москва) . 88 (1): 35– 49. doi :10.1134/S0006297923010042. ISSN  0006-2979. PMC 9937530. PMID 37068871  . 
  4. ^ abc Giessen, Tobias W. (2022-06-21). "Encapsulins". Annual Review of Biochemistry . 91 (1): 353– 380. doi :10.1146/annurev-biochem-040320-102858. ISSN  0066-4154. PMC 9944552. PMID 35303791  . 
  5. ^ Андреас, Майкл П.; Гиссен, Тобиас В. (2021-08-06). «Крупномасштабное вычислительное открытие и анализ микробных нанокомпартментов, полученных из вирусов». Nature Communications . 12 (1): 4748. Bibcode :2021NatCo..12.4748A. doi :10.1038/s41467-021-25071-y. ISSN  2041-1723. PMC 8346489 . PMID  34362927. 
  6. ^ abc Джонс, Джесси А.; Бениш, Роберт; Гиссен, Тобиас В. (2023-05-24). «Загрузка инкапсулинового груза: прогресс и потенциал». Журнал химии материалов B. 11 ( 20): 4377– 4388. doi :10.1039/D3TB00288H. ISSN  2050-7518. PMC 10225969. PMID 37158413  . 
  7. ^ Габашвили, Анна Н.; Чмелюк, Нелли С.; Ефремова, Мария В.; Малиновская, Юлия А.; Семкина, Алевтина С.; Абакумов, Максим А. (2020-06-26). "Encapsulins—Bacterial Protein Nanocompartments: Structure, Properties, and Application". Biomolecules . 10 (6): 966. doi : 10.3390/biom10060966 . ISSN  2218-273X. PMC 7355545 . PMID  32604934. 
  8. ^ ab Эрен, Элиф; Уоттс, Норман Р.; Монтесинос, Фелипе; Вингфилд, Пол Т. (25 мая 2024 г.). «Инкапсулированные ферритиноподобные белки: структурная перспектива». Биомолекулы . 14 (6): 624. doi : 10.3390/biom14060624 . ISSN  2218-273X. PMC 11202242. PMID 38927029  . 
  9. ^ abcd Хан, Наил; Савва, Ренос; Фрэнк, Стефани (2024). "pendingpublications". apps.crossref.org . doi :10.1093/nargab/lqae025 . Получено 01.12.2024 .
  10. ^ abc Jones, Jesse A.; Giessen, Tobias W. (7 июня 2021 г.) [7 июня 2021 г.]. «Достижения в биологии и инженерии нанокомпартментов инкапсулина». Биотехнология и биоинженерия . 118 (1): 491– 505. doi :10.1002/bit.27564. ISSN  0006-3592. PMC 8182298. PMID 32918485  . 


Значок заглушки

Эта статья по биологии клетки — заглушка . Вы можете помочь Википедии, расширив ее.

Значок заглушки

Эта статья о биологической инженерии — заглушка . Вы можете помочь Википедии, расширив ее.

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Encapsulin&oldid=1261427665"