МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 1, с. 36-54
= ОБЗОРЫ
УДК 577.181.3 112.3;577.122.5
СТРУКТУРА, ФУНКЦИЯ И БИОСИНТЕЗ ТИАЗОЛ-ОКСАЗОЛ-МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИКРОЦИНОВ
© 2014 г. М. В. Метелев, Д. А. Гиляров*
Институт биологии гена Российской академии наук, Москва, 119334 Поступила в редакцию 19.08.2013 г.
Принята к печати 24.09.2013 г.
Развитие технологий секвенирования и анализа данных привело к предсказанию и экспериментальному обнаружению большого числа рибосомально-синтезируемых посттрансляционно-модифированных прокариотических вторичных метаболитов. Одна из групп таких веществ, тиазол-оксазол-модифици-рованные микроцины (ТОММ), характеризуется наличием тиазольных и оксазольных гетероциклов, образующихся из остатков цистеина и серина. В обзоре представлена имеющаяся на сегодняшний день информация о классификации, структуре и путях биосинтеза тиазол-оксазол-модифицированных микро-цинов, обсуждаются их биологическая активность и перспективы практического применения в медицине.
Ключевые слова: тиазол-оксазол-модифицированные микроцины, прокариоты, цианобактины, боттро-мицины, тиопептиды, антибиотики, пептиды.
STRUCTURE, FUNCTION, AND BIOSYNTHESIS OF THIAZOLE-OXAZOLE MODIFIED MI-CROCINS, by M. V. Metelev, D. A. Ghilarov* (Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia; *e-mail: info@genebiology.ru). Recent advances in a large-scale genome sequencing and data analysis led to discovery of a large number of diverse ribosomally-synthesized posttranslationally-modified natural products. One bourgeoning family of such compounds, characterized by the presence of thiazole and ox-azoleheterocycles derived from cysteine and serine residues, is referred to as thiazole-oxazole modified mi-crocins. This review brings together known information about classification, structure, and biosynthesis of thi-azole-oxazole modified microcins, their biological activity and potential applications.
Keywords: of thiazole-oxazole modified microcins, prokaryotes, cyanobactins, bottromycins, thiopeptides, antibiotics, peptides.
DOI: 10.7868/S0026898414010108
ВВЕДЕНИЕ
Обзор посвящен биологически активным про-кариотическим рибосомально-синтезируемым посттрансляционно-модифицируемым пептидам (РПП) [1], в которых аминокислотные остатки цистеина, серина и треонина подвергаются циклизации с образованием тиазольных(тиазолило-вых) и (метил)оксазольных(оксазолиловых) гете-роциклов. Общее название для таких соединений — тиазол-оксазол-модифицированные микроцины (ТОММ). Данные биоинформатики и биохимии за последние несколько лет свидетельствуют о широкой распространенности ТОММ в природе [2]. Согласно современной номенклатуре, к ТОММ относятся такие классы РПП как линейные азол(ин)-содержащие пептиды, цианобактины,
тиопептиды и боттромицины. Наиболее изучены такие представители ТОММ, как микроцин В (ингибитор ДНК-гиразы), стрептолизин (гемолитический экзотоксин), тиострептон (ингибитор трансляции), транкамид (обладает противораковой активностью) и гоадспорин (сигнальное соединение).
В отличие от пептидов нерибосомальной природы, в последовательность которых могут входить нестандартные аминокислоты, в состав рибосо-мально синтезируемых пептидов входят исключительно 20 канонических аминокислот. Однако после трансляции такие пептиды могут модифицироваться с участием специализированных ферментов. Такими модификациями могут быть дегидратация остатков серина или треонина, гетероциклизация
Принятые сокращения: ЛАП — линейные азол(ин)-содержащие микроцины; РПП — рибосомально-синтезируемые пост-трансляционно-модифицируемые пептиды; ТОММ — тиазол-оксазол-модифицированные микроцины; SLS — стрептолизин S.
* Эл. почта: ballroom2004@yandex.ru
Кластер ген0в Ген пептида-предшественника
| Транскрипция, трансляция I ^■
Лидерная последовательность Модифицируемый пептид
Модификация
—Ц1— т 1> 1.Л
, , Отрезание лидерной последовательности
Зрелый модифицированный пептид
Рис. 1. Общая схема биосинтеза РПП. Ген, кодирующий пептид-предшественник, и гены, ответственные за его посттрансляционную модификацию, организованы в кластер. Пептид-предшественник состоит из модифицируемой части и лидерной последовательности.
остатков цистеина, серина и треонина, пренилиро-вание, метилирование, образование дисульфидных связей, эпимеризация аминокислот, макроциклизация et cetera. В результате образуются биологически активные низкомолекулярные вещества, в которых часто нелегко распознать исходный рибосо-мально синтезированный пептид. Образование гетероциклов и макроциклов в процессе модификации пептидов создает фиксированную структуру, которая необходима для функционирования вторичных метаболитов и защищает их от деградации протеазами.
Для всех РПП характерна определенная схема биосинтеза. Все соединения, относящиеся к этому классу, первоначально синтезируются в виде пептида-предшественника длиной от 7 до 110 аминокислот. Гены, ответственные за продукцию каждого соединения, организованы в кластеры. Помимо гена, кодирующего пептид-предшественник, в таком кластере находятся гены, кодирующие ферменты модификации пептида-предшественника, а также гены, ответственные за экспорт зрелой (функционально активной) молекулы. В случае, если производимый РПП представляет собой антибиотик, в кластере также находятся гены, обеспечивающие устойчивость клеток-продуцентов к этому соединению.
В пептиде-предшественнике РПП можно выделить две части: собственно модифицируемый пептид и лидерную последовательность (см. рис. 1). Модифицируемый пептид — та часть пептида-
предшественника, которая подвергается модификации, в результате которой образуется функционально активное соединение. Лидерная последовательность необходима для узнавания пептида-предшественника ферментами, отвечающими за модификацию. У многих представителей РПП эти ферменты достаточно толерантны к мутациям в модифицируемом пептиде (если эти мутации непосредственно не изменяют химические группы, необходимые для модификации) и для их функционирования важна лишь специфическая лидерная последовательность [3]. Это свойство, по-видимому, объясняет высокое разнообразие природных РПП, а также открывает большие возможности в конструировании различных искусственных РПП для использования в медицине и биотехнологии. Лидерная последовательность расположена, как правило, на Оконце пептида-предшественника, однако бывают и исключения [4]. Лидерная последовательность может также отвечать за экспорт зрелого пептида из клетки. На последних стадиях созревания РПП лидерная последовательность отщепляется от модифицируемого пептида. У эу-кариотических РПП, таких как циклотиды и ко-нопептиды, на Оконце присутствует сигнальная последовательность, которая необходима для того, чтобы пептид попал в нужный компартмент клетки [5, 6].
Кластеры генов синтеза различных классов РПП часто кодируют ферменты модификации, катализирующие сходные реакции, и отличаются
друг от друга лишь набором кодируемых ферментов (кластеры генов синтеза известных ТОММ схематично изображены на рис. 2). Так, например, серин/треонин дегидратазы вовлечены в модификацию лантибиотиков, тиопептидов и линейных азол(ин)-содержащих пептидов [7—9]. Наличие метилирующих ферментов характерно для биосинтеза тиопептидов, боттромицинов и др. Предполагается, что образование новых классов РПП может происходить за счет перегруппировки или дупликации генов ферментов модификации с последующей дивергенцией [10]. Несмотря на то, что многие ферменты, отвечающие за аналогичные модификации в разных кластерах, представляют собой гомологи, существуют примеры и конвергентной эволюции. Например, макроциклизация прокариотических цианобак-тинов и циклотидов осуществляется негомологичными ферментами [5, 11].
Из-за большого объема материала в данном обзоре мы ограничимся рассмотрением лишь одной группы РПП, ТОММ, для всех представителей которой характерно наличие тиазольных (ти-азолиловых) и (метил)оксазольных (оксазолило-вых) гетероциклов, формирующихся из остатков цистеина, серина или треонина пептида-предшественника. Ниже структура и биосинтез отдельных классов ТОММ рассмотрены детально.
ЛИНЕЙНЫЕ АЗОЛ(ИН)-СОДЕРЖАЩИЕ ПЕПТИДЫ
К линейным азол(ин)-содержащим пептидам (ЛАП) относят все нециклические ТОММ. Гете-роциклизация остатков серина, цистеина и треонина в составе ЛАП осуществляется ферментным комплексом, состоящим из трех (или двух) белков: дегидрогеназы (согласно общепринятой номенклатуре — фермент B) и циклодегидратазы (CD согласно номенклатуре), которая в кластере может кодироваться двумя генами (C и D) или же одним (белки C и D слиты в одну полипептидную цепь) [10]. Белки B, C и D у разных ЛАП гомологичны между собой, что и послужило основанием для объединения этих соединений в одну группу. Введение гетероциклов происходит в два этапа: сначала под действием фермента B происходит циклодегидратация с образованием азолинового цикла, а затем может происходит дегидрирование с образованием тиазольных, оксазольных или ме-тилоксазольных гетероциклов (рис. 3) [12]. Долгое время роль ферментов B, C и D в осуществлении реакции не была ясна. При изучении микро-цина B установили, что реакция дегидрирования осуществляется FMN-зависимой дегидрогеназой [13], но лишь недавно на примере ТОММ из Bacillus sp. Al Hakam удалось установить механизм реакции циклодегидратации [14]. Показано, что в составе синтетазного комплекса реакцию дегидра-
тации осуществляет белок D, хотя ранее предполагалось, что эта субъединица необходима только для узнавания субстрата и регулирования процесса циклизации. Теперь показано, что белок D фосфо-рилирует карбонильный кислород предшествующего серину, треонину или цистеину аминокислотного остатка с использованием ATP. В результате фосфорилирования облегчается отщепление воды, что и приводит к образованию цикла (рис. 4). Также показано, что третья субъединица (белок C) участвует в регуляции процесса, однако детально ее роль пока не изучена.
Лидерная последовательность отщепляется после образования набора гетероциклов, который характерен для конкретного ЛАП.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.