stringtranslate.com

Пирролизин

Пирролизин (символ Pyl или O ; [2] кодируется янтарным стоп-кодоном UAG ) — это α-аминокислота , которая используется в биосинтезе белков в некоторых метаногенных археях и бактериях ; [3] [4] она не присутствует в организме человека. Она содержит α-аминогруппу (которая находится в протонированном – NH+
3форма в биологических условиях ) и группа карбоновой кислоты (которая находится в депротонированной –COO − форме в биологических условиях). Его пирролиновая боковая цепь похожа на таковую у лизина , будучи основной и положительно заряженной при нейтральном pH. [ необходима цитата ]

Генетика

Почти все гены транслируются с использованием всего лишь 20 стандартных аминокислотных строительных блоков. Две необычные генетически кодируемые аминокислоты — селеноцистеин и пирролизин. Пирролизин был обнаружен в 2002 году в активном центре фермента метилтрансферазы из археи, производящей метан, Methanosarcina barkeri . [ 5] [6] Эта аминокислота кодируется UAG (обычно стоп-кодоном), а ее синтез и включение в белок опосредованы биологическим механизмом, кодируемым кластером генов pylTSBCD . [4]

Состав

Как было установлено с помощью рентгеновской кристаллографии [6] и масс-спектрометрии MALDI , пирролизин состоит из 4-метилпирролин - 5- карбоксилата в амидной связи с ε N лизина . [7]

Синтез

Пирролизин синтезируется in vivo путем соединения двух молекул L -лизина. Одна молекула лизина сначала преобразуется в (3 R )-3-метил- D -орнитин , который затем лигируется со вторым лизином. Группа NH 2 удаляется, за чем следует циклизация и этап дегидратации для получения L -пирролизина. [8]

Каталитическая функция

Дополнительное пирролиновое кольцо включено в активный сайт нескольких метилтрансфераз , где, как полагают, оно вращается относительно свободно. Считается, что кольцо участвует в позиционировании и демонстрации метильной группы метиламина для атаки корриноидным кофактором . Предлагаемая модель заключается в том, что близлежащий остаток карбоновой кислоты , глутамат , становится протонированным , и протон затем может быть передан азоту иминного кольца, подвергая соседний кольцевой углерод нуклеофильному присоединению метиламином. Положительно заряженный азот, созданный этим взаимодействием, затем может взаимодействовать с депротонированным глутаматом, вызывая сдвиг в ориентации кольца и подвергая метильную группу, полученную из метиламина, связывающей щели, где она может взаимодействовать с корриноидом. Таким образом, чистая CH+
3переносится на атом кобальта кофактора с изменением степени окисления с I на III. Затем выделяется аммиак , полученный из метиламина , восстанавливая исходный имин. [6]

Генетическое кодирование

В отличие от посттрансляционных модификаций лизина, таких как гидроксилизин , метиллизин и гипузин , пирролизин включается во время трансляции ( синтеза белка ) в соответствии с указаниями генетического кода , как и стандартные аминокислоты . Он кодируется в мРНК кодоном UAG , который у большинства организмов является «янтарным» стоп-кодоном . Для этого требуется только наличие гена pylT , который кодирует необычную транспортную РНК (тРНК) с антикодоном CUA, и гена pylS , который кодирует аминоацил-тРНК-синтетазу класса II , которая заряжает тРНК, полученную из pylT , пирролизином.

Эта новая пара тРНК-aaRS («ортогональная пара») независима от других синтетаз и тРНК в Escherichia coli и, кроме того, обладает некоторой гибкостью в диапазоне обрабатываемых аминокислот, что делает ее привлекательным инструментом, позволяющим размещать, возможно, широкий спектр функциональных химических групп в произвольно указанных местах в модифицированных белках. [9] [10] Например, система предоставила один из двух флуорофоров , включенных сайт-специфически в кальмодулин , что позволяет проводить исследование изменений в белке в реальном времени с помощью спектроскопии FRET , [11] и сайт-специфическое введение фотоизолированного производного лизина. [12] (См. Расширенный генетический код )

Первоначально предполагалось, что определенная последовательность ниже по течению "PYLIS" , образующая петлю-стебель в мРНК , вызывает включение пирролизина вместо прекращения трансляции в метаногенных археях. Это было бы аналогично элементу SECIS для включения селеноцистеина. [13] Однако модель PYLIS утратила популярность ввиду отсутствия структурной гомологии между элементами PYLIS и отсутствия остановок UAG у этих видов. [14]

Эволюция

Гены pylT (тРНК) и pylS (аа-тРНК-синтаза) являются частью оперона Methanosarcina barkeri , с гомологами в других секвенированных членах семейства Methanosarcinaceae : M. acetivorans , M. mazei и M. thermophila . Известно, что пирролизинсодержащие белки включают монометиламинметилтрансферазу ( mtmB), диметиламинметилтрансферазу ( mtbB ) и триметиламинметилтрансферазу (mttB). Гомологи pylS и pylT также были обнаружены в антарктической архее Methanosarcina barkeri и грамположительной бактерии Desulfitobacterium hafniense . [13] [15] Другие гены оперона Pyl опосредуют биосинтез пирролизина, что приводит к описанию оперона как «естественной кассеты расширения генетического кода». [16]

Для системы пирролизина было предложено несколько эволюционных сценариев. Текущая (2022) точка зрения, учитывая доступные последовательности генов тРНК и Pyl-tRNA (PylRS) синтазы, такова: [17]

Более ранние эволюционные сценарии были ограничены таксономическим диапазоном известных синтаз:

Потенциал альтернативного перевода

ТРНК (CUA) может быть заряжена лизином in vitro посредством согласованного действия лизил-тРНК-синтетаз M. barkeri класса I и класса II, которые не распознают пирролизин. Первоначально предполагалось, что зарядка тРНК (CUA) лизином является первым шагом в трансляции янтарных кодонов UAG в пирролизин, механизм, аналогичный тому, который используется для селеноцистеина . Более поздние данные свидетельствуют в пользу прямой зарядки пирролизина на тРНК (CUA) белковым продуктом гена pylS , что приводит к предположению, что комплекс LysRS1:LysRS2 может участвовать в параллельном пути, разработанном для обеспечения того, чтобы белки, содержащие кодон UAG, могли быть полностью транслированы с использованием лизина в качестве замещающей аминокислоты в случае дефицита пирролизина. [21] Дальнейшие исследования показали, что гены, кодирующие LysRS1 и LysRS2, не требуются для нормального роста на метаноле и метиламинах с нормальными уровнями метилтрансферазы, и они не могут заменить pylS в рекомбинантной системе для подавления стоп-кодона UAG Amber. [22]

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013. Королевское химическое общество . стр. 1392. doi :10.1039/9781849733069. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ "Номенклатура и символика аминокислот и пептидов". Совместная комиссия по биохимической номенклатуре IUPAC-IUB. 1983. Архивировано из оригинала 9 октября 2008 года . Получено 5 марта 2018 года .
  3. ^ Ричард Каммак, ред. (2009). "Информационный бюллетень 2009". Биохимический номенклатурный комитет ИЮПАК и NC-IUBMB. Пирролизин. Архивировано из оригинала 2017-09-12 . Получено 2012-04-16 .
  4. ^ ab Rother, Michael; Krzycki, Joseph A. (2010-01-01). «Селеноцистеин, пирролизин и уникальный энергетический метаболизм метаногенных архей». Archaea . 2010 : 1–14. doi : 10.1155/2010/453642 . ISSN  1472-3646. PMC 2933860 . PMID  20847933. 
  5. ^ Шринивасан, Г.; Джеймс, К. М.; Кржицкий, Дж. А. (24.05.2002). «Пирролизин, кодируемый UAG в археях: зарядка специализированной тРНК, декодирующей UAG». Science . 296 (5572): 1459–1462. Bibcode :2002Sci...296.1459S. doi :10.1126/science.1069588. PMID  12029131. S2CID  28593085.
  6. ^ abc Хао, Бин; Гонг; Фергюсон; Джеймс; Кржицкий; Чан (2002-05-24). "Новый кодируемый UAG остаток в структуре метилтрансферазы метаногена". Science . 296 (5572): 1462–1466. Bibcode :2002Sci...296.1462H. doi :10.1126/science.1069556. PMID  12029132. S2CID  35519996.
  7. ^ Soares, JA; Zhang, L; Pitsch, RL; Kleinholz, NM; Jones, RB; Wolff, JJ; Amster, J; Green-Church, KB; Krzycki, JA (2005-11-04). "Остаточная масса L-пирролизина в трех различных метиламинметилтрансферазах". Журнал биологической химии . 280 (44): 36962–36969. doi : 10.1074/jbc.M506402200 . PMID  16096277.
  8. ^ Гастон, Марша А.; Чжан; Грин-Черч; Кржицкий (31 марта 2011 г.). «Полный биосинтез генетически кодируемой аминокислоты пирролизина из лизина». Nature . 471 (7340): 647–50. Bibcode :2011Natur.471..647G. doi :10.1038/nature09918. PMC 3070376 . PMID  21455182. 
  9. ^ Хао, Б.; Чжао, Г.; Кан, ПТ.; Соарес, ДЖ.; Фергюсон, ТК.; Галлуччи, ДЖ.; Кржицкий, ДЖ.; Чан, МК. (сентябрь 2004 г.). «Реакционная способность и химический синтез L-пирролизина – 22-й генетически кодируемой аминокислоты». Химия и биология . 11 (9): 1317–24. doi : 10.1016/j.chembiol.2004.07.011 . PMID  15380192.
  10. ^ Li, WT; Mahapatra, A; Longstaff, DG; Bechtel, J; Zhao, G; Kang, PT; Chan, MK; Krzycki, JA (январь 2009 г.). «Специфичность пирролизил-тРНК-синтетазы для пирролизина и аналогов пирролизина». Журнал молекулярной биологии . 385 (4): 1156–64. doi :10.1016/j.jmb.2008.11.032. PMID  19063902.
  11. ^ Фекнер, Т.; Ли, Х.; Ли, М.М.; Чан, МК. (2009). «Аналог пирролизина для клик-химии белков». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 48 (9): 1633–5. doi :10.1002/anie.200805420. PMID  19156778.
  12. ^ Chen, PR; Groff, D; Guo, J; Ou, W; Cellitti, S; Geierstanger, BH; Schultz, PG (2009). "Простая система кодирования неприродных аминокислот в клетках млекопитающих". Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 48 (22): 4052–5. doi :10.1002/anie.200900683. PMC 2873846. PMID  19378306 . 
  13. ^ ab Обзор в Zhang, Y; Baranov, PV; Atkins, JF; Gladyshev, VN (27 мая 2005 г.). «Пирролизин и селеноцистеин используют разные стратегии декодирования». Журнал биологической химии . 280 (21): 20740–20751. doi : 10.1074/jbc.M501458200 . PMID  15788401.
  14. ^ Namy, Olivier; Zhou, Yu; Gundllapalli, Sarath; Polycarpo, Carla R.; Denise, Alain; Rousset, Jean-Pierre; Söll, Dieter; Ambrogelly, Alexandre (ноябрь 2007 г.). «Добавление пирролизина в генетический код Escherichia coli». FEBS Letters . 581 (27): 5282–5288. doi : 10.1016/j.febslet.2007.10.022 . PMID  17967457.
  15. ^ Чжан, Y; Гладышев, ВН (2007). «Высокое содержание белков, содержащих 21-ю и 22-ю аминокислоты, селеноцистеин и пирролизин, в симбиотической дельтапротеобактерии бескишечного червя Olavius ​​algarvensis». Nucleic Acids Research . 35 (15 ) : 4952–4963. doi :10.1093/nar/gkm514. PMC 1976440. PMID  17626042. 
  16. ^ Longstaff, DG; Larue, RC; Faust, JE; Mahapatra, A; Zhang, L; Green-Church, KB; Krzycki, JA (2007-01-16). «Кассета расширения естественного генетического кода обеспечивает передаваемый биосинтез и генетическое кодирование пирролизина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (3): 1021–6. Bibcode : 2007PNAS..104.1021L. doi : 10.1073/pnas.0610294104 . PMC 1783357. PMID  17204561 . 
  17. ^ abcdefg Guo, LT; Amikura, K; Jiang, HK; Mukai, T; Fu, X; Wang, YS; O'Donoghue, P; Söll, D; Tharp, JM (ноябрь 2022 г.). «Предковые археи расширили генетический код с помощью пирролизина». Журнал биологической химии . 298 (11): 102521. doi : 10.1016/j.jbc.2022.102521 . PMC 9630628. PMID  36152750. 
  18. ^ Ambrogelly, A; Gundllapalli, S; Herring, S; Polycarpo, C; Frauer, C; Söll, D (2007-02-27). «Пирролизин не жестко привязан к котрансляционной вставке в кодоны UAG». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (9): 3141–3146. Bibcode : 2007PNAS..104.3141A. doi : 10.1073/pnas.0611634104 . PMC 1805618. PMID  17360621 . 
  19. ^ Nozawa, K; O'Donoghue, P; Gundllapalli, S; Araiso, Y; Ishitani, R; Umehara, T; Söll, D; Nureki, O (2009-02-26). "Pyrrolysyl-tRNA synthetase:tRNAPyl structure reveals the molecular basic of orthogonality". Nature . 457 (7233): 1163–1167. Bibcode :2009Natur.457.1163N. doi :10.1038/nature07611. PMC 2648862 . PMID  19118381. 
  20. ^ Фурнье, Г (2009). «Горизонтальный перенос генов и эволюция метаногенных путей». Горизонтальный перенос генов . Методы в молекулярной биологии. Т. 532. С. 163–79. doi :10.1007/978-1-60327-853-9_9. ISBN 978-1-60327-852-2. PMID  19271184.
  21. ^ Polycarpo, C; Ambrogelly, A; Bérubé, A; Winbush, SM; McCloskey, JA; Crain, PF; Wood, JL; Söll, D (2004-08-24). "Аминоацил-тРНК-синтетаза, которая специфически активирует пирролизин". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (34): 12450–12454. Bibcode : 2004PNAS..10112450P. doi : 10.1073 /pnas.0405362101 . PMC 515082. PMID  15314242. 
  22. ^ Махапатра, А; Шринивасан, Г; Рихтер, КБ; Мейер, А; Лиенард, Т; Чжан, Дж. К.; Чжао, Г; Кан, ПТ; Чан, М; Готтшалк, Г; Меткалф, WW; Кржицкий, JA (июнь 2007 г.). «Мутанты синтетазы лизил-тРНК класса I и класса II и генетическое кодирование пирролизина в Methanosarcina spp». Молекулярная микробиология . 64 (5): 1306–18. doi :10.1111/j.1365-2958.2007.05740.x. PMID  17542922. S2CID  26445329.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки