Рибосомально синтезированные и посттрансляционно модифицированные пептиды

Рибосомально синтезированные и посттрансляционно модифицированные пептиды ( RiPP ), также известные как рибосомальные природные продукты , представляют собой разнообразный класс природных продуктов рибосомального происхождения. [1] RiPP, состоящие из более чем 20 подклассов, продуцируются различными организмами , включая прокариот , эукариот и архей , и обладают широким спектром биологических функций .

Вследствие снижения стоимости геномного секвенирования и сопутствующего роста доступных геномных данных научный интерес к RiPPs возрос за последние несколько десятилетий. Поскольку химические структуры RiPPs более точно предсказуемы из геномных данных, чем другие природные продукты (например, алкалоиды , терпеноиды ), их присутствие в секвенированных организмах теоретически может быть быстро идентифицировано. Это делает RiPPs привлекательной целью современных усилий по открытию природных продуктов.

Определение

RiPP состоят из любых пептидов (т.е. молекулярная масса которых ниже 10 кДа), которые производятся рибосомами и подвергаются некоторой степени ферментативной посттрансляционной модификации . Эта комбинация трансляции и модификации пептидов называется «пострибосомным синтезом пептидов» (PRPS) по аналогии с нерибосомным синтезом пептидов (NRPS).

Исторически текущие подклассы RiPP изучались по отдельности, и общепринятые практики в номенклатуре соответственно различались в литературе. Совсем недавно, с появлением широкого геномного секвенирования, было осознано, что эти природные продукты имеют общее биосинтетическое происхождение. В 2013 году набор единых руководств по номенклатуре был согласован и опубликован большой группой исследователей в этой области. [1] До этого отчета RiPP упоминались под различными обозначениями, включая пострибосомальные пептиды , рибосомальные натуральные продукты и рибосомальные пептиды .

Аббревиатура «RiPP» расшифровывается как « рибосомально синтезированный и посттрансляционно модифицированный пептид ».

Распространенность и применение

RiPP составляют одно из основных суперсемейств природных продуктов , таких как алкалоиды , терпеноиды и нерибосомальные пептиды , хотя они, как правило, большие, с молекулярным весом , обычно превышающим 1000 Да . [1] Появление методов секвенирования следующего поколения сделало добычу генома RiPP общей стратегией. [2] Отчасти из-за их возросшего открытия и предполагаемой простоты проектирования , использование RiPP в качестве лекарств увеличивается. Хотя по происхождению они являются рибосомальными пептидами , RiPP обычно классифицируются как небольшие молекулы , а не как биологические препараты из-за их химических свойств, таких как умеренный молекулярный вес и относительно высокая гидрофобность .

Применение и биологическая активность RiPP разнообразны.

RiPP в коммерческом использовании включают низин , пищевой консервант , тиострептон , ветеринарный местный антибиотик , а также нозигептид и дурамицин, которые являются добавками к корму для животных . Фаллоидин , функционализированный флуорофором , используется в микроскопии в качестве красителя из-за его высокого сродства к актину . Анантин — это RiPP, используемый в клеточной биологии в качестве ингибитора рецептора предсердного натрийуретического пептида . [3]

В 2012-2013 годах производным RiPP в клинических испытаниях был LFF571. Фаза II клинических испытаний LFF571, производного тиопептида GE2270-A, для лечения инфекций Clostridioides difficile , с безопасностью и эффективностью, сопоставимыми с ванкомицином , была прекращена досрочно, поскольку результаты были неблагоприятными. [4] [5] Также недавно в клинических испытаниях был NVB302 (производное лантибиотика актагардина ), который используется для лечения инфекции Clostridioides difficile . [6] Дурамицин завершил фазу II клинических испытаний для лечения муковисцидоза . [7]

Другие биоактивные RiPP включают антибиотики циклотиазомицин и боттромицин , антибиотик ультраузкого спектра действия плантазолицин и цитотоксин пателламид А. Стрептолизин S , токсический фактор вирулентности Streptococcus pyogenes , также является RiPP. Кроме того, сам человеческий гормон щитовидной железы является RiPP из-за его биосинтетического происхождения как тиреоглобулина .

Классификации

Аматоксины и фаллотоксины

Структура α-аманитина с посттрансляционными модификациями, характерными для аматоксинов и фаллотоксинов, показана красным цветом.

Аматоксины и фаллотоксины являются 8- и 7-членными природными продуктами, соответственно, характеризующимися циклизацией N-в-C в дополнение к мотиву триптатионина, полученному из сшивания Cys и Trp. [8] [9] Аматоксины и фаллотоксины также отличаются от других RiPP на основе наличия последовательности распознавания C-конца в дополнение к лидерному пептиду N-конца. α-Аманитин , аматоксин, имеет ряд посттрансляционных модификаций в дополнение к макроциклизации и образованию мостика триптатионина: окисление триптатионина приводит к присутствию сульфоксида , а многочисленные гидроксилирования украшают природный продукт. Как аматоксин, α-аманитин является ингибитором РНК-полимеразы II . [10]

Ботромицины

Структура боттромицина А2 с характерными посттрансляционными модификациями, выделенными красным цветом

Ботромицины содержат С-концевой декарбоксилированный тиазол в дополнение к макроциклическому амидину . [11]

В настоящее время известно шесть соединений боттромицина, которые различаются по степени метилирования боковой цепи, дополнительной характеристики класса боттромицинов. Полный синтез боттромицина А2 был необходим для окончательного определения структуры первого боттромицина. [11]

До сих пор кластеры генов, которые, как предполагается, производят боттромицины, были идентифицированы в роде Streptomyces . Ботромицины отличаются от других RiPP тем, что не имеют N-концевого лидерного пептида. Вместо этого пептид-предшественник имеет C-концевое расширение из 35-37 аминокислот, предположительно действующее как последовательность распознавания для посттрансляционного аппарата. [12]

Цианобактины

Структура пателламида А с циклизацией NC выделена красным цветом

Цианобактины — это разнообразные метаболиты цианобактерий с макроцилизацией N-в-C цепи из 6–20 аминокислот. Цианобактины — это натуральные продукты, выделенные из цианобактерий, и считается, что около 30% всех штаммов цианобактерий содержат кластеры генов цианобактерий. [13] Однако, хотя до сих пор все цианобактины приписываются цианобактериям, существует вероятность, что другие организмы могут производить подобные натуральные продукты.

Пептид-предшественник семейства цианобактинов традиционно обозначается геном «E», тогда как пептиды-предшественники обозначаются геном «A» в большинстве кластеров генов RiPP. «A» — это сериновая протеаза, участвующая в расщеплении лидерного пептида и последующей макроциклизации пептидного природного продукта в сочетании с дополнительным гомологом сериновой протеазы, кодируемым геном «G». Члены семейства цианобактинов могут иметь тиазолины/оксазолины, тиазолы/оксазолы и метилирования в зависимости от дополнительных ферментов модификации. Например, возможно, самым известным цианобактином является пателламид A , который содержит два тиазола, метилоксазолин и оксазолин в своем конечном состоянии, макроцикл, полученный из 8 аминокислот.

Лантипептиды

Структура низина, природного продукта лантипептида. Посттрансляционные модификации Lan и MeLan показаны красным цветом.

Лантипептиды являются одним из наиболее хорошо изученных семейств RiPP. Семейство характеризуется наличием остатков лантионина (Lan) и 3-метиллантионина (MeLan) в конечном натуральном продукте. Существует четыре основных класса лантионинов, разделенных ферментами, ответственными за установку Lan и MeLan. Дегидратаза и циклаза могут быть двумя отдельными белками или одним многофункциональным ферментом. Ранее лантионины были известны как «лантипептиды», пока в этой области не был достигнут консенсус. [1]

Лантибиотики — это лантхипептиды, которые обладают известной антимикробной активностью. Основатель семейства лантхипептидов, низин , является лантибиотиком, который использовался для предотвращения роста пищевых патогенов более 40 лет. [14]

Лассо пептиды

Лассо-пептиды — это короткие пептиды, содержащие макроциклическое «кольцо» N-концевого макролактама, через которое продет линейный С-концевой «хвост». [15] [16] Из-за этой топологии проволочной петли эти пептиды напоминают лассо , что и дало им название. Они являются членами более крупного класса структур лассо на основе аминокислот . Кроме того, лассо-пептиды формально являются ротаксанами .

N-концевое «кольцо» может иметь длину от 7 до 9 аминокислот и образовано изопептидной связью между N-концевым амином первой аминокислоты пептида и карбоксилатной боковой цепью остатка аспартата или глутамата . C-концевой «хвост» имеет длину от 7 до 15 аминокислот. [15]

Первая аминокислота лассо-пептидов почти всегда представляет собой глицин или цистеин , причем мутации в этом месте не допускаются известными ферментами. [16] Таким образом, подходы к открытию лассо-пептидов, основанные на биоинформатике, использовали это в качестве ограничения. [15] Однако недавно были обнаружены некоторые лассо-пептиды, которые также содержат серин или аланин в качестве своего первого остатка. [17]

Протягивание хвоста лассо захватывается либо дисульфидными связями между остатками цистеина кольца и хвоста (лассо-пептиды класса I), либо стерическими эффектами из-за объемных остатков на хвосте (лассо-пептиды класса II), либо обоими (лассо-пептиды класса III). [16] Компактная структура делает лассо-пептиды часто устойчивыми к протеазам или термическому разворачиванию . [16]

Линейные азол(ин)е-содержащие пептиды

Структура плантазолицина, линейного азоли(ин)е-содержащего пептидного природного продукта. Посттрансляционно установленные азоли(ины) показаны красным цветом.

Линейные азол(ин)е-содержащие пептиды (LAP) содержат тиазолы и оксазолы или их восстановленные тиазолиновые и оксазолиновые формы. Тиазол(ин)ы являются результатом циклизации остатков Cys в пептиде-предшественнике, тогда как (метил)оксазол(ин)ы образуются из Thr и Ser. Образование азола и азолина также изменяет остаток в положении -1 или непосредственно C -концевой к Cys, Ser или Thr. Дегидрогеназа в кластере генов LAP необходима для окисления азолинов в азолы.

Плантазолицин — это LAP с обширной циклизацией. Два набора из пяти гетероциклов наделяют натуральный продукт структурной жесткостью и необычайно селективной антибактериальной активностью. [18] Стрептолизин S (SLS), возможно, является наиболее хорошо изученным и самым известным LAP, отчасти потому, что его структура до сих пор неизвестна с момента открытия SLS в 1901 году. Таким образом, хотя биосинтетический кластер генов предполагает, что SLS является LAP, структурное подтверждение отсутствует.

Микроцины

Микроцины — это все RiPP, продуцируемые Enterobacteriaceae с молекулярной массой <10 кДа. Многие члены других семейств RiPP, такие как микроцин E492, [19] микроцин B17 (LAP) и микроцин J25 (пептид Лассо), также считаются микроцинами. Вместо классификации на основе посттрансляционных модификаций или модифицирующих ферментов, микроцины идентифицируются по молекулярной массе, нативному продуценту и антибактериальной активности. Микроцины кодируются либо плазмидой, либо хромосомой, но обладают активностью против Enerobacteriaceae. Поскольку эти организмы также часто являются продуцентами микроцинов, кластер генов содержит не только пептид-предшественник и модифицирующие ферменты, но также ген самоиммунитета для защиты продуцирующего штамма и гены, кодирующие экспорт натурального продукта.

Микроцины обладают биологической активностью против грамотрицательных бактерий, но обычно демонстрируют узкий спектр действия из-за воздействия на специфические рецепторы, участвующие в транспорте необходимых питательных веществ.

Тиопептиды

Тиострептон РиПП

Большинство охарактеризованных тиопептидов были выделены из актинобактерий. [20] Общими структурными особенностями тиопептидных макроциклов являются дегидратированные аминокислоты и тиазольные кольца, образованные из дегидратированных остатков серина / треонина и циклизованного цистеина соответственно.

Макроцикл тиопептида замкнут шестичленным азотсодержащим кольцом. Степень окисления и характер замещения азотистого кольца определяют серию тиопептидного природного продукта. [1] Хотя механизм макроциклизации неизвестен, азотистое кольцо может существовать в тиопептидах как пиперидин , дегидропиперидин или полностью окисленный пиридин . Кроме того, некоторые тиопептиды несут второй макроцикл, который несет остаток хинальдиновой кислоты или индольной кислоты, полученный из триптофана . Возможно, наиболее хорошо охарактеризованный тиопептид, тиострептон А, содержит дегидропиперидиновое кольцо и второй макроцикл, содержащий хинальдиновую кислоту. Четыре остатка дегидратируются во время посттрансляционной модификации, и конечный природный продукт также несет четыре тиазола и один азолин.

Другие RiPP

Аутоиндуцирующие пептиды (AIP) и пептиды , чувствительные к кворуму, используются в качестве сигнальных молекул в процессе, называемом чувством кворума . AIP характеризуются наличием циклического эфира или тиоэфира , в отличие от других регуляторных пептидов, которые являются линейными. У патогенов экспортируемые AIP связываются с внеклеточными рецепторами, которые запускают выработку факторов вирулентности . [21] У Staphylococcus aureus AIP биосинтезируются из пептида-предшественника, состоящего из C-концевой лидерной области, центральной области и отрицательно заряженной хвостовой области, которая вместе с лидерным пептидом расщепляется перед экспортом AIP. [22]

Бактериальные циклизованные пептиды Head-to-Tail относятся исключительно к рибосомально синтезированным пептидам с 35-70 остатками и пептидной связью между N- и C-концами, иногда называемым бактериоцинами , хотя этот термин используется более широко. Отличительной особенностью этого класса является не только относительно большой размер природных продуктов, но и модифицирующие ферменты, ответственные за макроциклизацию. Другие циклизованные RiPP N-to-C, такие как цианобактины и орбитиды, имеют специализированные биосинтетические механизмы для макроциклизации гораздо меньших основных пептидов. До сих пор эти бактериоцины были идентифицированы только в грамположительных бактериях . Энтероцин AS-48 был выделен из Enterococcus и, как и другие бактериоцины, относительно устойчив к высокой температуре, изменениям pH и многим протеазам в результате макроциклизации. [23] Судя по структурам растворов и выравниванию последовательностей, бактериоцины, по-видимому, принимают схожие трехмерные структуры, несмотря на небольшую гомологию последовательностей, что способствует стабильности и устойчивости к деградации.

Конопептиды и другие токсоглоссановые пептиды являются компонентами яда хищных морских улиток, таких как конусы или Conus . [24] Пептиды яда конусов, как правило, меньше, чем те, которые содержатся в ядах других животных (10-30 аминокислот против 30-90 аминокислот) и имеют больше дисульфидных сшивок . [24] Один вид может иметь 50-200 конопептидов, закодированных в его геноме, узнаваемых по хорошо сохранившейся сигнальной последовательности. [1]

Циклотиды — это RiPP с циклизацией «голова к хвосту» и тремя консервативными дисульфидными связями , которые образуют узловую структуру, называемую мотивом циклического цистеинового узла . [25] [26] Никаких других посттрансляционных модификаций не наблюдалось в охарактеризованных циклотидах, которые имеют размер от 28 до 37 аминокислот. Циклотиды — это растительные натуральные продукты, и различные циклотиды, по-видимому, являются видоспецифичными. Хотя для циклотидов было описано много видов активности, была выдвинута гипотеза, что все они объединены общим механизмом связывания и разрушения клеточной мембраны. [27]

Гликоцины — это RiPP, которые являются гликозилированными антимикробными пептидами . Полностью охарактеризованы только два члена, что делает этот класс RiPP небольшим. [28] [29] Субланцин 168 и гликоцин F оба являются Cys-гликозилированными и, кроме того, имеют дисульфидные связи между негликозилированными остатками Cys. Хотя оба члена несут S-гликозильные группы, RiPP, несущие O- или N-связанные углеводы, также будут включены в это семейство по мере их обнаружения.

Линаридины характеризуются остатками аминовинилцистеина на С-конце. Хотя эта посттрансляционная модификация также наблюдается в лантипептидах эпидермине и мерсацидине, линаридины не имеют остатков Lan или MeLan. Кроме того, фрагмент линаридина образован из модификации двух остатков Cys, тогда как лантипептидные аминовинилцистеины образуются из Cys и дегидроаланина ( Dha). [30] Первым охарактеризованным линаридином был ципемицин . [31]

Микровиридины представляют собой циклические N -ацетилированные тридека- и тетрадекапептиды с ω-эфирными и/или ω-амидными связями. Образование лактона через ω-карбоксигруппы глутамата или аспартата и ε-аминогруппу лизина образует макроциклы в конечном натуральном продукте. Этот класс RiPP функционирует как ингибиторы протеазы и первоначально был выделен из Microcystis viridis . Генные кластеры, кодирующие микровиридины, также были идентифицированы в геномах по типам Bacteroidetes и Proteobacteria . [32]

Орбитиды — это циклизованные пептиды N-to-C растительного происхождения без дисульфидных связей. Также называемые гомомоноциклопептидами, подобными Caryophyllaceae, [33] орбитиды имеют длину 5-12 аминокислот и состоят в основном из гидрофобных остатков. Подобно аматоксинам и фаллотоксинам, последовательности генов орбитидов предполагают наличие последовательности распознавания C-конца. В сорте льна Linum usitatissimum с помощью поиска Blast был обнаружен пептид-предшественник, который потенциально содержит пять основных пептидов, разделенных предполагаемыми последовательностями распознавания. [34]

Протеузины названы в честь «Протея», греческого бога моря, способного менять форму. До сих пор единственные известные члены семейства протеузинов назывались политионамидами. Первоначально предполагалось, что они являются нерибосомальными натуральными продуктами из-за присутствия многих D-аминокислот и других непротеиногенных аминокислот . Однако метагеномное исследование выявило, что натуральные продукты являются наиболее широко модифицированным классом RiPP, известным на сегодняшний день. [35] Шесть ферментов отвечают за установку в общей сложности 48 посттрансляционных модификаций на пептидах-предшественниках политионамида A и B, включая 18 эпимеризаций . Политеонамиды исключительно большие, поскольку одна молекула способна охватывать клеточную мембрану и образовывать ионный канал . [36] [37]

Сактипептиды содержат внутримолекулярные связи между серой остатков Cys и α-углеродом другого остатка в пептиде. Ряд нерибосомальных пептидов имеют ту же модификацию. В 2003 году был зарегистрирован первый RiPP со связью серы с α-углеродом, когда структура субтилозина А была определена с использованием изотопно-обогащенных сред и ЯМР-спектроскопии . [38] В случае субтилозина А, выделенного из Bacillus subtilis 168 , поперечные связи Cα между Cys4 и Phe31, Cys7 и Thr28, а также Cys13 и Phe22 являются не единственными посттрансляционными модификациями; C- и N-концы образуют амидную связь , что приводит к кольцевой структуре, которая конформационно ограничена связями Cα. Сактипептиды с антимикробной активностью обычно называют сактибиотиками ( антибиотики с серой в альфа -углеродной связи ). [39]

Биосинтез

Для RiPP характерна общая биосинтетическая стратегия, при которой генетически кодируемые пептиды подвергаются трансляции и последующей химической модификации биосинтетическими ферментами.

Общие черты

Общая схема биосинтеза РиПП.

Все RiPP сначала синтезируются на рибосоме в качестве пептида-предшественника . Этот пептид состоит из сегмента основного пептида , которому обычно предшествует (а иногда и следует) сегмент лидерного пептида , и обычно имеет длину ~20-110 остатков . Лидерный пептид обычно важен для обеспечения ферментативной обработки пептида-предшественника, помогая распознавать основной пептид биосинтетическими ферментами и для клеточного экспорта. Некоторые RiPP также содержат последовательность распознавания C-конца основного пептида; они участвуют в вырезании и циклизации . Кроме того, эукариотические RiPP могут содержать сигнальный сегмент пептида-предшественника, который помогает направлять пептид в клеточные компартменты . [1]

Во время биосинтеза RiPP немодифицированный пептид-предшественник (содержащий немодифицированный основной пептид, UCP ) распознается и химически модифицируется последовательно биосинтетическими ферментами (PRPS). Примерами модификаций являются дегидратация (т. е . лантипептиды , тиопептиды), циклодегидратация (т. е. тиопептиды), пренилирование (т. е. цианобактины) и циклизация (т. е. лассо-пептиды) и другие. Полученный модифицированный пептид-предшественник (содержащий модифицированный основной пептид, MCP ) затем подвергается протеолизу , при котором неосновные области пептида-предшественника удаляются. Это приводит к зрелому RiPP . [1]

Номенклатура

Статьи, опубликованные до недавнего консенсуса сообщества [1], используют различные наборы номенклатуры. Пептид-предшественник ранее назывался препептидом , препропептидом или структурным пептидом . Лидерный пептид назывался пропептидом , прорегионом или промежуточным регионом . Исторические альтернативные термины для основного пептида включали пропептид , структурный пептид и токсиновый регион (в частности, для конопептидов). [1]

Особенности, характерные для данной семьи

(A) Этапы установки мостиков лантионина и 3-метиллантионина в биосинтезе лантипептидов (B) Классы ферментов биосинтеза лантипептидов

Лантипептиды

Лантипептиды характеризуются наличием остатков лантионина (Lan) и 3-метиллантионина (MeLan). Остатки Lan образуются из тиоэфирного мостика между Cys и Ser, тогда как остатки MeLan образуются из связи Cys с остатком Thr. Биосинтетические ферменты, ответственные за установку Lan и MeLan, сначала дегидратируют Ser и Thr до дегидроаланина (Dha) и дегидробутирина (Dhb) соответственно. Последующее сшивание тиоэфира происходит посредством присоединения Cys к Dha или Dhb по типу реакции Михаэля . [40]

Было выделено четыре класса ферментов биосинтеза лантипептидов. [41] Лантипептиды класса I имеют выделенные дегидратазы лантипептидов , называемые ферментами LanB, хотя для отдельных лантипептидов используются более конкретные обозначения (например, NisB — это дегидратаза низина). Отдельная циклаза, LanC, отвечает за второй этап биосинтеза Lan и MeLan. Однако лантипептиды классов II, III и IV имеют бифункциональные синтетазы лантионина в своих кластерах генов, что означает, что один фермент выполняет как этапы дегидратации, так и этапы циклизации. Синтетазы класса II, называемые синтетазами LanM, имеют домены дегидратации N-конца без гомологии последовательностей с другими ферментами биосинтеза лантипептидов; домен циклазы имеет гомологию с LanC. Ферменты класса III (LanKC) и IV (LanL) имеют схожие N-концевые лиазные и центральные киназные домены, но расходятся в C-концевых доменах циклизации: домен циклазы LanL гомологичен LanC, но у ферментов класса III отсутствуют домены связывания Zn-лиганда. [42]

Линейные азол(ин)е-содержащие пептиды

Схематическое изображение биосинтеза азол(ина)э в рибосомальных природных продуктах.

Отличительной чертой биосинтеза линейного азол(ин)е-содержащего пептида (LAP) является образование азол(ин)е- гетероциклов из нуклеофильных аминокислот серина , треонина или цистеина . [1] [43] Это осуществляется тремя ферментами, называемыми белками B, C и D; предшественник пептида называется белком A, как и в других классах. [1]

Белок C в основном участвует в распознавании и связывании лидерного пептида и иногда называется белком-каркасом. Белок D представляет собой АТФ-зависимую циклодегидратазу, которая катализирует реакцию циклодегидратации, приводящую к образованию азолинового кольца. Это происходит путем прямой активации карбонила амидного остова с помощью АТФ, что приводит к стехиометрическому потреблению АТФ. [44] Белки C и D иногда присутствуют в виде одного слитого белка, как в случае биосинтеза транкамида. Белок B представляет собой флавинмононуклеотид (ФМН)-зависимую дегидрогеназу, которая окисляет определенные азолиновые кольца в азолы .

Белок B обычно называют дегидрогеназой ; белки C и D вместе образуют циклодегидратазу , хотя белок D в одиночку выполняет реакцию циклодегидратации. Ранние работы по микроцину B17 приняли другую номенклатуру для этих белков, но недавний консенсус был принят в этой области, как описано выше. [1]

Цианобактины

Биосинтез цианобактина требует протеолитического расщепления как N-концевой, так и C-концевой частей пептида-предшественника. Таким образом, определяющими белками являются N -концевая протеаза , называемая белком А, и C-концевая протеаза , называемая белком G. Белок G также отвечает за макроциклизацию .

Для цианобактинов пептид-предшественник называется пептидом E. [1] Как минимум, пептид E требует области лидерного пептида, основной (структурной) области и как N-концевой, так и C-концевой последовательности распознавания протеазы. В отличие от большинства RiPP, для которых один пептид-предшественник кодирует один природный продукт через одиночный основной пептид, пептиды E цианобактина могут содержать несколько основных областей; несколько пептидов E могут даже присутствовать в одном кластере генов. [1] [45]

Многие цианобактины также подвергаются гетероциклизации гетероциклазой ( называемой белком D), устанавливая оксазолиновые или тиазолиновые фрагменты из остатков Ser/Thr/Cys до действия протеаз A и G. [1] Гетероциклаза является АТФ -зависимым гомологом YcaO , который ведет себя биохимически так же, как циклодегидратазы домена YcaO в биосинтезе тиопептида и линейного азол(ин)е-содержащего пептида (LAP) (описано выше).

Распространенной модификацией является пренилирование гидроксильных групп пренилтрансферазой белка F. Окисление азолиновых гетероциклов в азолы также может быть выполнено доменом оксидазы, расположенным на белке G. Необычно для рибосомальных пептидов , цианобактины могут включать D-аминокислоты ; они могут встречаться рядом с остатками азола или азолина. [ 1] Функции некоторых белков, обычно встречающихся в кластерах генов биосинтеза цианобактина, белков B и C, неизвестны.

Тиопептиды

Биосинтез тиопептидов включает в себя особенно обширную модификацию основного пептидного каркаса. Действительно, из-за очень сложных структур тиопептидов, обычно считалось, что эти природные продукты были нерибосомальными пептидами . Признание рибосомального происхождения этих молекул пришло в 2009 году с независимым открытием кластеров генов для нескольких тиопептидов. [1] [46] [47] [48] [49]

Стандартная номенклатура для тиопептидных биосинтетических белков следует номенклатуре кластера генов тиомурацина. [1] [48] В дополнение к пептиду-предшественнику, называемому пептидом А, для биосинтеза тиопептида требуется по крайней мере шесть генов . К ним относятся лантипептидоподобные дегидратазы , обозначенные как белки B и C, которые устанавливают дегидроаланиновые и дегидробутириновые фрагменты путем дегидратации остатков-предшественников Ser/Thr. Синтез азола и азолина осуществляется белком E, дегидрогеназой , и белком G, циклодегидратазой . Азотсодержащий гетероцикл устанавливается протеинциклазой D через предполагаемое [4+2] циклоприсоединение дегидроаланиновых фрагментов для формирования характерного макроцикла. [50] Белок F отвечает за связывание лидерного пептида. [51]

Биосинтез тиопептидов биохимически похож на синтез цианобактинов, лантхипептидов и линейных азол(ин)е-содержащих пептидов (LAP). Как и в случае с цианобактинами и LAP, синтез азолов и азолинов происходит посредством действия АТФ -зависимой YcaO - доменной циклодегидратазы. В отличие от LAP, где циклодегидратация происходит посредством действия двух отдельных белков, ответственных за связывание лидерного пептида и циклодегидратационный катализ , они объединены в один белок (G-белок) в биосинтезе цианобактина и тиопептида. [1] Однако в тиопептидах дополнительный белок, обозначенный как Ocin-ThiF-подобный белок (F-белок), необходим для распознавания лидерного пептида и потенциального привлечения других биосинтетических ферментов. [51]

Лассо пептиды

(A) Типичные примеры кластеров генов биосинтеза лассо-пептида. Стрелки, изображающие открытые рамки считывания, показаны с длинами, пропорциональными размеру гена, как указано на шкале. Гены имеют цветовую кодировку и маркируются в соответствии с функцией. (B) Общая схема биосинтеза лассо-пептида.

Биосинтез пептида лассо требует по крайней мере трех генов, называемых белками A, B и C. [1] [15] Ген A кодирует пептид-предшественник, который модифицируется белками B и C в зрелый натуральный продукт. Белок B представляет собой аденозинтрифосфат -зависимую цистеиновую протеазу, которая отщепляет лидерную область от пептида-предшественника. Белок C проявляет гомологию с аспарагинсинтетазой и, как полагают, активирует боковую цепь карбоновой кислоты остатка глутамата или аспартата посредством аденилирования . N-концевой амин, образованный белком B (протеазой), затем реагирует с этой активированной боковой цепью, образуя макроцикл -образующую изопептидную связь. Точные этапы и промежуточные продукты реакции в биосинтезе пептида лассо остаются неизвестными из-за экспериментальных трудностей, связанных с белками. [15] Обычно белок B называют лассо-протеазой , а белок C называют лассо-циклазой .

Некоторые кластеры генов биосинтеза пептидов лассо также требуют дополнительного белка неизвестной функции для биосинтеза. Кроме того, кластеры генов пептидов лассо обычно включают транспортер ABC (белок D) или изопептидазу , хотя они не являются строго обязательными для биосинтеза пептидов лассо и иногда отсутствуют. [15] Рентгеновская кристаллическая структура пока не известна ни для одного биосинтетического белка пептидов лассо.

Биосинтез лассо-пептидов представляет особый интерес ввиду недоступности топологии нитевидного лассо для химического синтеза пептидов .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu Арнисон П.Г., Бибб М.Дж., Бирбаум Г., Бауэрс А.А., Бугни Т.С., Булай Г., Камареро Дж.А., Кампопиано Д.Д., Чаллис Г.Л., Клэрди Дж., Коттер П.Д., Крейк Д.Д., Доусон М., Диттманн Е., Донадио С., Доррестейн ПК, Энтиан К.Д., Фишбах М.А., Гаравелли Дж.С., Йоранссон Ю, Грубер К.В., Хафт Д.Х., Хемшайдт Т.К., Хертвек С., Хилл С., Хорсвилл А.Р., Джаспарс М., Келли В.Л., Клинман Дж.П., Койперс О.П., Линк Эй.Дж., Лю В., Марахил М.А., Митчелл Д.А., Молл Г.Н., Мур Б.С., Мюллер Р., Наир С.К., Нес ИФ, Норрис Г.Е., Оливера Б.М., Онака H, Patchett ML, Piel J, Reaney MJ, Rebuffat S, Ross RP, Sahl HG, Schmidt EW, Selsted ME, Severinov K, Shen B, Sivonen K, Smith L, Stein T, Süssmuth RD, Tagg JR, Tang GL, Truman AW, Vederas JC, Walsh CT, Walton JD, Wenzel SC, Willey JM, van der Donk WA (январь 2013 г.). «Рибосомально синтезированные и посттрансляционно модифицированные пептидные натуральные продукты: обзор и рекомендации по универсальной номенклатуре». Natural Product Reports . 30 (1): 108– 60. doi :10.1039/c2np20085f. PMC  3954855 . PMID  23165928.
  2. ^ Velásquez JE, van der Donk WA (2011). «Геномный майнинг для рибосомально синтезированных натуральных продуктов». Current Opinion in Chemical Biology . 15 (1): 11– 21. doi : 10.1016 /j.cbpa.2010.10.027. PMC 3090663. PMID  21095156. 
  3. ^ Wyss DF, Lahm HW, Manneberg M, Labhardt AM (1991). «Анантин — пептидный антагонист предсердного натрийуретического фактора (ANF). II. Определение первичной последовательности методом ЯМР на основе распределения протонов». Журнал антибиотиков . 44 (2): 172– 80. doi : 10.7164/antibiotics.44.172 . PMID  1826288.
  4. ^ Mullane K, Lee C, Bressler A, Buitrago M, Weiss K, Dabovic K, Praestgaard J, Leeds JA, Blais J, Pertel P (2015). «Многоцентровое рандомизированное клиническое исследование для сравнения безопасности и эффективности LFF571 и ванкомицина при инфекциях Clostridium difficile». Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 59 (3): 1435– 40. doi :10.1128/AAC.04251-14. PMC 4325808. PMID 25534727  . 
  5. ^ "Безопасность и эффективность многократного ежедневного приема перорального препарата LFF571 у пациентов с умеренными инфекциями Clostridium Difficile" . Получено 08.06.2015 .
  6. ^ "Оценка безопасности и распределения NVB302 у здоровых добровольцев". ISRCTNregistry . 2012-10-23 . Получено 2015-06-08 .
  7. ^ Сэндифорд СК (2015). «Перспективы открытия лантибиотиков — где мы потерпели неудачу и какие улучшения необходимы?». Мнение экспертов по открытию лекарств . 10 (4): 315–20 . doi : 10.1517/17460441.2015.1016496 . PMID  25697059.
  8. ^ Занотти Г., Бейер Б., Виланд Т. (сентябрь 1987 г.). «Синтез циклических пептидов триптатионина». Межд. Дж. Пепт. Белок Рез . 30 (3): 323–9 . doi :10.1111/j.1399-3011.1987.tb03338.x. ПМИД  3692680.
  9. ^ Wieland T, Faulstich H (декабрь 1978 г.). «Аматоксины, фаллотоксины, фаллолизин и антаманид: биологически активные компоненты ядовитых грибов Amanita». CRC Crit. Rev. Biochem . 5 (3): 185– 260. doi :10.3109/10409237809149870. PMID  363352.
  10. ^ Bushnell DA, Cramer P, Kornberg RD (февраль 2002 г.). «Структурная основа транскрипции: сокристалл альфа-аманитин-РНК-полимеразы II с разрешением 2,8 А». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 99 (3): 1218– 22. Bibcode :2002PNAS...99.1218B. doi : 10.1073/pnas.251664698 . PMC 122170 . PMID  11805306. 
  11. ^ ab Shimamura H, Gouda H, Nagai K, et al. (2009). «Определение структуры и полный синтез боттромицина A2: сильнодействующего антибиотика против MRSA и VRE». Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 48 (5): 914– 7. doi :10.1002/anie.200804138. PMID  19115340.
  12. ^ Gomez-Escribano JP, Song L, Bibb MJ, Challis GL (2012). «Посттрансляционное β-метилирование и макролактамидинирование в биосинтезе комплекса боттромицина рибосомальных пептидных антибиотиков». Chem. Sci . 3 (12): 3522– 5. doi :10.1039/C2SC21183A.
  13. ^ Leikoski N, Fewer DP, Sivonen K (февраль 2009). «Широкое распространение и латеральный перенос кластера генов биосинтеза цианобактина у цианобактерий». Appl. Environ. Microbiol . 75 (3): 853– 7. Bibcode :2009ApEnM..75..853L. doi :10.1128/AEM.02134-08. PMC 2632131 . PMID  19047393. 
  14. ^ Lubelski J, Rink R, Khusainov R, Moll GN, Kuipers OP (2008). «Биосинтез, иммунитет, регуляция, способ действия и проектирование модельного лантибиотика низина». Cellular and Molecular Life Sciences . 65 (3): 455– 76. doi :10.1007/s00018-007-7171-2. PMC 11131864 . PMID  17965835. S2CID  9549591. 
  15. ^ abcdef Максимов МО, Линк А. Дж. (февраль 2014 г.). «Проспективные геномы для лассо-пептидов». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 41 (2): 333– 44. doi : 10.1007/s10295-013-1357-4 . PMID  24142336. S2CID  13286422.
  16. ^ abcd Максимов МО, Пан СДж, Джеймс Линк А (сентябрь 2012 г.). "Лассо-пептиды: структура, функция, биосинтез и инженерия". Natural Product Reports . 29 (9): 996– 1006. doi :10.1039/c2np20070h. PMID  22833149.
  17. ^ Циммерманн, М.; Хегеманн, Дж. Д.; Кси, Х.; Марахиэль, МА (2014). «Характеристика пептидов лассо каулонодина выявила беспрецедентные N-концевые остатки и мотив-предшественник, необходимый для созревания пептида». Chem. Sci . 5 (10): 4032– 4043. doi : 10.1039/C4SC01428F .
  18. ^ Molohon KJ, Melby JO, Lee J, Evans BS, Dunbar KL, Bumpus SB, Kelleher NL, Mitchell DA (2011). «Определение структуры и перехват биосинтетических промежуточных продуктов для класса плантазолицинов с высокой степенью дискриминации антибиотиков». ACS Chemical Biology . 6 (12): 1307– 13. doi :10.1021/cb200339d. PMC 3241860. PMID  21950656 . 
  19. ^ Хуан, Кай; Цзэн, Цзяньвэй; Лю, Сюэли; Цзян, Тяньюй; Ван, Цзявэй (2021-04-06). «Структура системы маннозной фосфотрансферазы (man-PTS) в комплексе с микроцином E492, порообразующим бактериоцином». Cell Discovery . 7 (1): 20. doi :10.1038/s41421-021-00253-6. ISSN  2056-5968. PMC 8021565 . PMID  33820910. 
  20. ^ Bagly MC, Dale JW, Merritt EA, Xiong X (2005). «Тиопептидные антибиотики». Chem. Rev. 105 ( 2): 685–714 . doi :10.1021/cr0300441. PMID  15700961.
  21. ^ Thoendel M, Kavanaugh JS, Flack CE, Horswill AR (январь 2011 г. ) . «Пептидная сигнализация в стафилококках». Chem. Rev. 111 ( 1): 117–51 . doi :10.1021/cr100370n. PMC 3086461. PMID  21174435. 
  22. ^ Thoendel M, Horswill AR (август 2009 г.). «Идентификация остатков Staphylococcus aureus AgrD, необходимых для аутоиндуцирующего биосинтеза пептидов». J. Biol. Chem . 284 (33): 21828– 38. doi : 10.1074/jbc.M109.031757 . PMC 2756194. PMID  19520867 . 
  23. ^ Санчес-Идальго М., Монтальбан-Лопес М., Себриан Р., Вальдивия Э., Мартинес-Буэно М., Македа М. (2011). «Бактериоцин АС-48: близок к совершенству». Клетка. Мол. Наука о жизни . 68 (17): 2845– 57. doi :10.1007/s00018-011-0724-4. ПМК 11115006 . PMID  21590312. S2CID  24837331. 
  24. ^ ab Buczek O, Bulaj G, Olivera BM (2005). «Конотоксины и посттрансляционная модификация секретируемых генных продуктов».  Cell . Mol. Life Sci . 62 (24): 3067– 79. doi :10.1007/s00018-005-5283-0. PMC 11139066. PMID 16314929. S2CID  25647743. 
  25. ^ Craik DJ, Daly NL, Bond T, Waine C (1999). «Циклотиды растений: уникальное семейство циклических и узловатых белков, определяющее структурный мотив циклического цистеинового узла». J. Mol. Biol . 294 (5): 1327– 36. doi :10.1006/jmbi.1999.3383. PMID  10600388.
  26. ^ Saether O, Craik DJ, Campbell ID, Sletten K, Juul J, Norman DG (1995). "Выяснение первичной и трехмерной структуры утеротонического полипептида kalata B1". Биохимия . 34 (13): 4147–58 . doi :10.1021/bi00013a002. PMID  7703226.
  27. ^ Huang YH, Colgrave ML, Daly NL, Keleshian A, Martinac B, Craik DJ (июль 2009 г.). «Биологическая активность прототипического циклотида kalata b1 модулируется образованием мультимерных пор». J. Biol. Chem . 284 (31): 20699– 707. doi : 10.1074/jbc.M109.003384 . PMC 2742835. PMID  19491108 . 
  28. ^ Oman TJ, Boettcher JM, Wang H, Okalibe XN, van der Donk WA (2011). «Субланцин — это не лантибиотик, а S-связанный гликопептид». Nat. Chem. Biol . 7 (2): 78– 80. doi :10.1038/nchembio.509. PMC 3060661. PMID  21196935 . 
  29. ^ Garcia De Gonzalo CV, Zhu L, Oman TJ, van der Donk WA (2014). «ЯМР-структура S-связанного гликопептида субланцина 168». ACS Chem. Biol . 9 (3): 796– 801. doi :10.1021/cb4008106. PMC 3985867. PMID  24405370 . 
  30. ^ Claesen J, Bibb M (2010). «Геномный анализ и генетический анализ биосинтеза ципемицина выявляют необычный класс посттрансляционно модифицированных пептидов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 107 (37): 16297– 302. Bibcode : 2010PNAS..10716297C. doi : 10.1073/pnas.1008608107 . PMC 2941285. PMID  20805503 . 
  31. ^ Комияма К, Отогуро К, Сегава Т, Сиоми К, Янг Х, Такахаси Й, Хаяси М, Отани Т, Омура С (1993). «Новый антибиотик, ципемицин. Таксономия, ферментация, изоляция и биологические характеристики». J. Antibiot . 46 (11): 1666–71 . doi : 10.7164/antibiotics.46.1666 . PMID  7802859.
  32. ^ Амарал, Самуэль Кавальканте; Монтейро, Патрик Романо; Нето, Жоаким да Силва Пинто; Серра, Густаво Маркес; Гонсалвеш, Эвоннильдо Коста; Ксавье, Лусиана Перейра; Сантос, Агенор Валадарес (04 января 2021 г.). «Современные знания о микровиридине цианобактерий». Морские наркотики . 19 (1): 17. дои : 10.3390/md19010017 . ISSN  1660-3397. ПМЦ 7823629 . ПМИД  33406599. 
  33. ^ Tan NH, Zhou J (2006). «Циклопептиды растений». Chem. Rev. 106 ( 3): 840–95 . doi :10.1021/cr040699h. PMID  16522011.
  34. ^ Venglat P, Xiang D, Qiu S, Stone SL, Tibiche C, Cram D, Alting-Mees M, Nowak J, Cloutier S, Deyholos M, Bekkaoui F, Sharpe A, Wang E, Rowland G, Selvaraj G, Datla R (2011). "Анализ экспрессии генов при развитии семян льна". BMC Plant Biol . 11 : 74. doi : 10.1186/1471-2229-11-74 . PMC 3107784. PMID  21529361 . 
  35. ^ Фриман М.Ф., Гурги С., Хелф М.Дж., Моринака Б.И., Урия А.Р., Олдхэм, Нью-Джерси, Сахл Х.Г., Мацунага С., Пиль Дж. (2012). «Анализ метагенома выявил политеонамиды как посттрансляционно модифицированные рибосомальные пептиды». Наука . 338 (6105): 387–90 . Бибкод : 2012Sci...338..387F. дои : 10.1126/science.1226121 . PMID  22983711. S2CID  23925994.
  36. ^ Hamada T, Matsunaga S, Fujiwara M, Fujita K, Hirota H, Schmucki R, Güntert P, Fusetani N (2010). «Структура раствора политионамида B, высокоцитотоксичного нерибосомального полипептида из морской губки». J. Am. Chem. Soc . 132 (37): 12941– 5. doi :10.1021/ja104616z. PMID  20795624.
  37. ^ Ивамото М., Шимизу Х., Мурамацу И., Оики С. (2010). «Цитотоксический пептид из морской губки проявляет активность ионного канала посредством векторной вставки в мембрану». FEBS Lett . 584 (18): 3995– 9. Bibcode : 2010FEBSL.584.3995I. doi : 10.1016/j.febslet.2010.08.007. PMID  20699099. S2CID  30215533.
  38. ^ Kawulka KE, Sprules T, Diaper CM, Whittal RM, McKay RT, Mercier P, Zuber P, Vederas JC (2004). «Структура субтилозина А, циклического антимикробного пептида из Bacillus subtilis с необычными связями серы с альфа-углеродом: образование и восстановление производных альфа-тио-альфа-аминокислот». Биохимия . 43 (12): 3385– 95. doi :10.1021/bi0359527. PMID  15035610.
  39. ^ Kawulka K, Sprules T, McKay RT, Mercier P, Diaper CM, Zuber P, Vederas JC (2003). «Структура субтилозина А, антимикробного пептида из Bacillus subtilis с необычными посттрансляционными модификациями, связывающими цистеиновые серы с альфа-углеродами фенилаланина и треонина». J. Am. Chem. Soc . 125 (16): 4726– 7. doi :10.1021/ja029654t. PMID  12696888.
  40. ^ Knerr PJ, van der Donk WA (2012). «Открытие, биосинтез и проектирование лантипептидов». Annu. Rev. Biochem . 81 : 479–505 . doi :10.1146/annurev-biochem-060110-113521. PMID  22404629.
  41. ^ Зизен Р.Дж., Койперс ОП, де Вос ВМ (1996). «Сравнение кластеров генов лантибиотиков и кодируемых белков» (PDF) . Антони ван Левенгук . 69 (2): 171–84 . doi : 10.1007/bf00399422. PMID  8775977. S2CID  8887022.
  42. ^ Goto Y, Li B, Claesen J, Shi Y, Bibb MJ, van der Donk WA (2010). «Открытие уникальных лантионинсинтетаз раскрывает новые механистические и эволюционные идеи». PLOS Biol . 8 (3): e1000339. doi : 10.1371/journal.pbio.1000339 . PMC 2843593. PMID  20351769 . 
  43. ^ Melby JO, Nard NJ, Mitchell DA (июнь 2011 г.). «Модифицированные тиазолом/оксазолом микроцины: сложные натуральные продукты из рибосомных шаблонов». Current Opinion in Chemical Biology . 15 (3): 369–78 . doi :10.1016/j.cbpa.2011.02.027. PMC 3947797. PMID  21429787 . 
  44. ^ Данбар KL, Мелби JO, Митчелл DA (июнь 2012 г.). «Домены YcaO используют АТФ для активации амидных остовов во время циклодегидратации пептидов». Nature Chemical Biology . 8 (6): 569–75 . doi :10.1038/nchembio.944. PMC 3428213 . PMID  22522320. 
  45. ^ Donia MS, Schmidt EW (2011). «Связывание химии и генетики в растущем семействе натуральных продуктов цианобактина». Химия и биология . 18 (4): 508– 19. doi :10.1016/j.chembiol.2011.01.019. PMC 3119926. PMID  21513887 . 
  46. ^ Келли В. Л., Пан Л., Ли С. (2009). «Биосинтез тиострептона: прототип нового семейства бактериоцинов». Журнал Американского химического общества . 131 (12): 4327– 34. doi :10.1021/ja807890a. PMID  19265401.
  47. ^ Wieland Brown LC, Acker MG, Clardy J, Walsh CT, Fischbach MA (2009). «Тринадцать посттрансляционных модификаций превращают пептид из 14 остатков в антибиотик тиоциллин». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (8): 2549– 53. Bibcode : 2009PNAS..106.2549W. doi : 10.1073/pnas.0900008106 . PMC 2650375. PMID  19196969 . 
  48. ^ ab Morris RP, Leeds JA, Naegeli HU, Oberer L, Memmert K, Weber E, LaMarche MJ, Parker CN, Burrer N, Esterow S, Hein AE, Schmitt EK, Krastel P (2009). "Рибосомально синтезированные тиопептидные антибиотики, нацеленные на фактор удлинения Tu". Журнал Американского химического общества . 131 (16): 5946– 55. doi :10.1021/ja900488a. PMID  19338336.
  49. ^ Liao R, Duan L, Lei C, Pan H, Ding Y, Zhang Q, Chen D, Shen B, Yu Y, Liu W (2009). «Биосинтез тиопептидов с участием синтезированных на рибосомах предшественников пептидов и консервативных посттрансляционных модификаций». Химия и биология . 16 (2): 141– 7. doi :10.1016/j.chembiol.2009.01.007. PMC 2676563. PMID  19246004 . 
  50. ^ Wever WJ, Bogart JW, Baccile JA, Chan AN, Schroeder FC, Bowers AA (2015). «Хемоферментативный синтез природных продуктов тиазолилпептида с использованием катализируемого ферментом формального [4 + 2] циклоприсоединения». Журнал Американского химического общества . 137 (10): 3494– 7. doi :10.1021/jacs.5b00940. PMC 4425689. PMID  25742119 . 
  51. ^ ab Dunbar KL, Tietz JI, Cox CL, Burkhart BJ, Mitchell DA (2015). «Идентификация вспомогательного лидерного пептидсвязывающего белка, необходимого для образования азолина в рибосомальных натуральных продуктах». Журнал Американского химического общества . 137 (24): 7672– 7. doi :10.1021/jacs.5b04682. PMC 4481143. PMID  26024319 . 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ribosomally_synthesized_and_post-translationally_modified_peptides&oldid=1252168447#Lasso_peptides"