stringtranslate.com

Немевалонатный путь

Немевалонатный путь — также появляющийся как мевалонат-независимый путь и путь 2- C -метил- D- эритритол-4-фосфата/1-дезокси- D- ксилулозо-5-фосфата ( MEP/DOXP ) — является альтернативным метаболическим путем для биосинтеза изопреноидных предшественников изопентенилпирофосфата (IPP) и диметилаллилпирофосфата (DMAPP). [1] [2] [3] В настоящее время предпочтительным названием для этого пути является путь MEP , поскольку MEP является первым фиксированным метаболитом на пути к IPP .

Биосинтез предшественников изопреноидов

Мевалонатный путь (путь MVA или путь HMG-CoA-редуктазы ) и путь MEP являются метаболическими путями для биосинтеза предшественников изопреноидов: IPP и DMAPP. В то время как растения используют как путь MVA, так и путь MEP, большинство организмов используют только один из путей для биосинтеза предшественников изопреноидов. В растительных клетках биосинтез IPP/DMAPP через путь MEP происходит в пластидных органеллах, тогда как биосинтез через путь MVA происходит в цитоплазме. [4] Большинство грамотрицательных бактерий, фотосинтетические цианобактерии и зеленые водоросли используют только путь MEP. [5] Бактерии, которые используют путь MEP, включают в себя такие важные патогены, как Mycobacterium tuberculosis . [6]

IPP и DMAPP служат предшественниками для биосинтеза изопреноидных (терпеноидных) молекул, используемых в таких разнообразных процессах, как пренилирование белков , поддержание клеточной мембраны , синтез гормонов , закрепление белков и N -гликозилирование во всех трех областях жизни. [ необходима цитата ] В фотосинтезирующих организмах предшественники, полученные из MEP, используются для биосинтеза фотосинтетических пигментов, таких как каротиноиды и фитоловая цепь хлорофилла и светособирающих пигментов. [5]

Бактерии, такие как Escherichia coli, были сконструированы для совместной экспрессии генов биосинтеза как путей MEP, так и MVA . [7] Распределение метаболических потоков между путями MEP и MVA можно изучить с помощью 13 C- изотопомеров глюкозы . [8]

Реакции немевалонатного пути в биосинтезе изопреноидов. Дословно перерисовано со схемы Квидвая и соавторов [Рис. 2.]. [9] Обратите внимание, что сокращения ферментов на этом рисунке нестандартны (ср. Eisenreich et al. [10] ), но они представлены здесь и воспроизведены в таблице, чтобы можно было использовать два набора данных вместе.

Реакции

Реакции пути MEP следующие, взятые в основном из работ Эйзенрайха и его коллег, за исключением выделенных жирным шрифтом дополнительных локальных сокращений, помогающих связать таблицу со схемой выше: [10] [9]

Исследования ингибирования и других путей

Dxs, первый фермент пути, ингибируется по принципу обратной связи продуктами IPP и DMAPP. Dxs активен как гомодимер , и точный механизм ингибирования фермента обсуждался в этой области. Было высказано предположение, что IPP/DMAPP конкурируют с кофактором TPP. [11] Более недавнее исследование показало, что IPP/DMAPP запускают мономеризацию и последующую деградацию фермента посредством взаимодействия с сайтом взаимодействия мономера, который отличается от активного сайта фермента . [12]

DXP-редуктоизомераза (также известная как: DXR, DOXP-редуктоизомераза, IspC, MEP-синтаза) — ключевой фермент в пути MEP. Его можно ингибировать натуральным продуктом фосмидомицином , который изучается в качестве отправной точки для разработки потенциального антибактериального или противомалярийного препарата. [13] [14] [15]

Промежуточное вещество, HMB-PP , является естественным активатором человеческих T-клеток Vγ9/Vδ2 , основной популяции T-клеток γδ в периферической крови и клеток, которые «играют решающую роль в иммунном ответе на микробные патогены» [16] .

Метаболическая инженерия пути МЭП/немевалонат

Путь MEP был тщательно изучен и спроектирован Escherichia coli , широко используемым видом микроорганизмов для лабораторных исследований и применения. [18] IPP и DMAPP, продукты пути MEP, могут использоваться в качестве субстратов для гетерологичного производства терпеноидов с высокой ценностью для применения в фармацевтической и химической промышленности. При экспрессии гетерологичных генов из разных организмов производство терпеноидов, таких как лимонен , бисаболен и изопрен, может быть достигнуто в разных микробных шасси. [19] [20] [21] [22] Исследования сверхэкспрессии различных генов биосинтеза пути показали, что экспрессия Dxs и Idi, катализирующих первый и последний этапы пути MEP, может значительно увеличить выход терпеноидов, полученных из MEP. [19] [22] Dxs как первый фермент пути представляет собой узкое место для потока углерода, который поступает в путь. Idi, который взаимопревращает IPP в DMAPP и наоборот, по-видимому, важен для обеспечения соответствующего субстрата, который необходим при введении гетерологичного поглотителя углерода в сконструированные штаммы. Большая часть работы по метаболической инженерии пути MEP была проделана в цианобактериях , фотоавтотрофных микробах, которые могут ассимилировать углекислый газ из атмосферы в различные углеродсодержащие метаболиты, включая терпеноиды. [20] [19] [21] Таким образом, для биотехнологии цианобактерии являются привлекательной платформой для устойчивого производства высокоценных соединений.

Ссылки

  1. ^ Ромер М.; Ромер, Мишель (1999). «Открытие мевалонат-независимого пути биосинтеза изопреноидов у бактерий, водорослей и высших растений». Nat Prod Rep . 16 (5): 565–574. doi :10.1039/a709175c. PMID  10584331.
  2. ^ W. Eisenreich; A. Bacher; D. Arigoni; F. Rohdich (2004). «Обзор биосинтеза изопреноидов через немевалонатный путь». Cellular and Molecular Life Sciences . 61 (12): 1401–1426. doi :10.1007/s00018-004-3381-z. PMC 11138651 . PMID  15197467. S2CID  24558920. 
  3. ^ Хантер, ВН (2007). «Немевалонатный путь биосинтеза предшественников изопреноидов». Журнал биологической химии . 282 (30): 21573–21577. doi : 10.1074/jbc.R700005200 . PMID  17442674.
  4. ^ Lichtenthaler H (1999). «1-Дезокси-D-ксилулоза-5-фосфатный путь биосинтеза изопреноидов в растениях». Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology . 50 : 47–65. doi :10.1146/annurev.arplant.50.1.47. PMID  15012203.
  5. ^ ab Вранова, Ева; Коман, Диана; Груиссем, Вильгельм (2013-04-29). "Анализ сетей путей MVA и MEP для синтеза изопреноидов". Annual Review of Plant Biology . 64 (1): 665–700. doi :10.1146/annurev-arplant-050312-120116. ISSN  1543-5008. PMID  23451776.
  6. ^ Wiemer, AJ; Hsiao, CH; Wiemer, DF (2010). «Метаболизм изопреноидов как терапевтическая цель у грамотрицательных патогенов». Current Topics in Medicinal Chemistry . 10 (18): 1858–1871. doi :10.2174/156802610793176602. PMID  20615187.
  7. ^ Мартин М.Дж., Питера Д.Дж., Уизерс СТ., Ньюман Дж.Д., Кислинг Дж.Д. (2003). «Разработка мевалонатного пути в Escherichia coli для производства терпеноидов». Nature Biotechnology . 21 (7): 796–802. doi :10.1038/nbt833. PMID  12778056. S2CID  17214504.
  8. ^ Орси Э., Биквилдер Дж., Пик С., Эггинк Г., Кенген С.В., Веустуис РА (2020). «Анализ соотношения метаболических потоков путем параллельного мечения 13C биосинтеза изопреноидов у Rhodobacter sphaeroides». Метаболическая инженерия . 57 : 228–238. дои : 10.1016/j.ymben.2019.12.004 . ПМИД  31843486.
  9. ^ ab Qidwai T, Jamal F, Khan MY, Sharma B (2014). «Изучение лекарственных мишеней в изопреноидном биосинтетическом пути для Plasmodium falciparum». Biochemistry Research International . 2014 : 657189. doi : 10.1155/2014/657189 . PMC 4017727. PMID  24864210 . (Отозвано, см. doi :10.1155/2022/8426183, PMID  35340427. Если это преднамеренная ссылка на отозванную статью, замените на . ){{retracted|...}}{{retracted|...|intentional=yes}}
  10. ^ ab Eisenreich W, Bacher A, Arigoni D, Rohdich F (2004). «Биосинтез изопреноидов по немевалонатному пути». Cell. Mol. Life Sci . 61 (12): 1401–26. doi :10.1007/s00018-004-3381-z. PMC 11138651. PMID 15197467.  S2CID 24558920  . 
  11. ^ Баннерджи, Апараджита; Ву, Ян; Баннерджи, Рахул; Ли, Юэ; Ян, Хунгао; Шарки, Томас Д. (июнь 2013 г.). «Ингибирование обратной связи дезокси-d-ксилулозо-5-фосфатсинтазы регулирует путь метилэритритол-4-фосфата». Журнал биологической химии . 288 (23): 16926–16936. doi : 10.1074/jbc.m113.464636 . ISSN  0021-9258. PMC 3675625. PMID 23612965  . 
  12. ^ Ди, Сюэни; Ортега-Аларкон, Дэвид; Какуману, Раму; Иглесиас-Фернандес, Хавьер; Диас, Люсия; Байду, Эдвард ЭК; Веласкес-Кампой, Адриан; Родригес-Консепсьон, Мануэль; Перес-Хиль, Хорди (8 мая 2023 г.). «Продукты пути MEP аллостерически способствуют мономеризации дезокси-D-ксилулозо-5-фосфатсинтазы, регулируя их поступление по принципу обратной связи». Заводские коммуникации . 4 (3): 100512. doi : 10.1016/j.xplc.2022.100512 . hdl : 10261/335525 . ISSN  2590-3462. ПМИД  36575800.
  13. ^ Хейл И, О'Нил ПМ, Берри НГ, Одом А, Шарма Р (2012). «Путь MEP и разработка ингибиторов как потенциальных противоинфекционных агентов». Med. Chem. Commun . 3 (4): 418–433. doi :10.1039/C2MD00298A.
  14. ^ Jomaa H, Wiesner J, Sanderbrand S, et al. (1999). «Ингибиторы немевалонатного пути биосинтеза изопреноидов как противомалярийные препараты». Science . 285 (5433): 1573–6. doi :10.1126/science.285.5433.1573. PMID  10477522.
  15. ^ C. Zinglé; L. Kuntz; D. Tritsch; C. Grosdemange-Billiard; M. Rohmer (2010). «Биосинтез изопреноидов через путь метилэритритолфосфата: структурные вариации вокруг фосфонатного якоря и спейсера фосмидомицина, мощного ингибитора дезоксиксилулозофосфатредуктоизомеразы». J. Org. Chem. 75 (10): 3203–3207. doi :10.1021/jo9024732. PMID  20429517.
  16. ^ Эберл М., Хинц М., Райхенберг А., Коллас А.К., Виснер Дж., Джомаа Х. (2003). «Микробный биосинтез изопреноидов и активация γδ Т-клеток человека». ФЭБС Летт . 544 (1–3): 4–10. дои : 10.1016/S0014-5793(03)00483-6 . PMID  12782281. S2CID  9930822.
  17. ^ «Исследовательская группа сообщает о новом классе антибиотиков, активных против широкого спектра бактерий». MDLinx . 23 декабря 2020 г. . Получено 23 января 2023 г. .[ мертвая ссылка ]
  18. ^ Родригес-Консепсьон, Мануэль; Боронат, Альберт (2002-11-01). «Выяснение пути метилэритритолфосфата для биосинтеза изопреноидов у бактерий и пластид. Метаболическая веха, достигнутая с помощью геномики». Физиология растений . 130 (3): 1079–1089. doi : 10.1104 /pp.007138 . PMC 1540259. PMID  12427975. 
  19. ^ abc Englund, Elias; Shabestary, Kiyan; Hudson, Elton P.; Lindberg, Pia (2018-09-01). «Систематическое исследование сверхэкспрессии для поиска целевых ферментов, усиливающих выработку терпенов в Synechocystis PCC 6803, с использованием изопрена в качестве модельного соединения». Metabolic Engineering . 49 : 164–177. doi : 10.1016/j.ymben.2018.07.004 . ISSN  1096-7176. PMID  30025762.
  20. ^ ab Гао, Сян; Гао, Фан; Лю, Дэн; Чжан, Хао; Не, Сяоцюнь; Ян, Чэнь (2016-04-13). «Разработка пути метилэритритолфосфата в цианобактериях для фотосинтетического производства изопрена из CO2». Энергетика и наука об окружающей среде . 9 (4): 1400–1411. doi :10.1039/C5EE03102H. ISSN  1754-5706.
  21. ^ ab Rodrigues, João S.; Lindberg, Pia (2021-06-01). "Метаболическая инженерия Synechocystis sp. PCC 6803 для улучшенного производства бисаболена". Metabolic Engineering Communications . 12 : e00159. doi : 10.1016/j.mec.2020.e00159 . ISSN  2214-0301. PMC 7809396. PMID  33489752 . 
  22. ^ ab Du, Fu-Liang; Yu, Hui-Lei; Xu, Jian-He; Li, Chun-Xiu (2014-08-31). "Улучшенное производство лимонена путем оптимизации экспрессии генов биосинтеза лимонена и пути MEP в E. coli". Биоресурсы и биообработка . 1 (1): 10. doi : 10.1186/s40643-014-0010-z . ISSN  2197-4365.