Гены PKS для определенного поликетида обычно организованы в один оперон или в кластеры генов . PKS типа I и типа II образуют либо большие модульные белковые комплексы, либо диссоциируемые молекулярные сборки; PKS типа III существуют в виде меньших гомодимерных белков. [3] [4]
Классификация
Механизмы реакции ПКС типа I, II и III. Декарбоксилирование малонильной единицы с последующей тио-Кляйзеновской конденсацией. a) (цис-АТ) ПКС типа I с доменами ацилпереносящего белка (ACP), кетосинтазы (KS) и ацилтрансферазы (AT), ковалентно связанными друг с другом. b) ПКС типа II с гетеродимером KSα-KSβ и ACP в качестве отдельных белков. c) ПКС типа III, не зависящие от ACP.
ПКС можно разделить на три типа:
Тип I PKS — это большие, сложные белковые структуры с несколькими модулями, которые, в свою очередь, состоят из нескольких доменов, которые обычно ковалентно связаны друг с другом и выполняют различные каталитические этапы. Минимальный состав модуля типа I PKS состоит из домена ацилтрансферазы (AT), который отвечает за выбор используемого строительного блока, домена кетосинтазы (KS), который катализирует образование связи CC, и домена белка-переносчика ацила (ACP), также известного как домен тиолирования. Последний содержит консервативный остаток Ser, посттрансляционно модифицированный фосфопантетеином, на конце которого поликетидная цепь ковалентно связана во время биосинтеза в виде тиоэфира. Более того, в модуле также могут существовать несколько других дополнительных доменов, таких как домены кеторедуктазы или дегидратазы, которые изменяют функциональность 1,3-дикарбонила по умолчанию установленного кетида путем последовательного восстановления до спирта и двойной связи соответственно. [5] [6] Эти домены работают вместе как конвейер. Этот тип PKS типа I также называют цис-ацилтрансферазными поликетидсинтазами (цис-AT PKS). В отличие от этого, так называемые транс-AT PKS развивались независимо и не имеют доменов AT в своих модулях. Эта активность обеспечивается отдельно стоящими доменами AT. Более того, они часто содержат необычные домены с уникальной каталитической активностью. [7]
PKS типа II ведут себя очень похоже на PKS типа I, но с одним ключевым отличием: вместо одного большого мегафермента PKS типа II являются отдельными монофункциональными ферментами. Наименьший возможный PKS типа II состоит из ACP, а также двух гетеродимерных единиц KS (KSα, который катализирует образование связи CC, и KSβ, также известный как «фактор длины цепи» — CLF, поскольку он может определять длину углеродной цепи [8] ), которые выполняют ту же функцию, что и домены AT, KS и ACP в PKS типа I, хотя в PKS типа II отсутствует отдельный домен AT. Кроме того, PKS типа II часто работают итеративно, когда несколько этапов удлинения цепи выполняются одним и тем же ферментом, аналогично PKS типа III. [9] [10]
Тип III PKS представляет собой небольшие гомодимеры белков 40 кДа, которые объединяют все виды активности из основных доменов PKS типа I и II. Однако, в отличие от типов I и II PKS, им не требуется субстрат, связанный с ACP. Вместо этого они могут использовать свободный субстрат ацил-КоА для удлинения цепи. [11] [12] [13] Более того, тип III PKS содержит каталитическую триаду Cys-His-Asn в своем активном центре, причем остаток цистеина действует как атакующий нуклеофил, тогда как типы I и II PKS характеризуются каталитической триадой Cys-His-His. [14] Типичные продукты типа III PKS включают фенольные липиды, такие как алкилрезорцины
В дополнение к этим трем типам PKS, их можно дополнительно классифицировать как итеративные или неитеративные. Итеративные PKS типа II повторно используют домены циклическим образом. Другие классификации включают степень восстановления, выполняемую во время синтеза растущей поликетидной цепи.
NR-PKS — невосстанавливающие PKS , продукты которых являются истинными поликетидами
PR-PKSs — частичное снижение PKSs
FR-PKS — полностью восстанавливающие PKS, продуктами которых являются производные жирных кислот
Модули и домены
Биосинтез предшественника доксорубицина , є-родомицинона. Реакции поликетидсинтазы показаны сверху.
Каждый модуль поликетид-синтазы типа I состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерными областями. Порядок модулей и доменов полной поликетид-синтазы следующий (в порядке от N-конца к C-концу ):
Запуск или загрузка модуля: AT-ACP-
Модули удлинения или расширения : -KS-AT-[DH-ER-KR]-ACP-
Поликетидная цепь и стартовые группы связаны своей карбоксильной функциональной группой с SH -группами ACP и домена KS посредством тиоэфирной связи: R- C (= O ) O H + H S -белок <=> R- C (= O ) S -белок + H 2 O .
Домены-переносчики ACP аналогичны доменам-переносчикам PCP нерибосомальных пептидсинтетаз , а некоторые белки сочетают в себе оба типа модулей.
Этапы
Растущая цепь передается от одной тиоловой группы к другой путем трансацилирования и высвобождается в конце путем гидролиза или циклизации ( алкоголиза или аминолиза ).
Начальный этап:
Стартовая группа, обычно ацетил-КоА или его аналоги, загружается в домен ACP стартового модуля, катализируемый доменом AT стартового модуля.
Стадии удлинения:
Поликетидная цепь передается от домена ACP предыдущего модуля к домену KS текущего модуля, катализируемому доменом KS.
Группа удлинения, обычно малонил-КоА или метилмалонил-КоА , загружается в текущий домен АПБ, катализируемый текущим доменом АТ.
Группа удлинения, связанная с ACP, реагирует в конденсации Клайзена с поликетидной цепью, связанной с KS, при выделении CO2 , оставляя свободный домен KS и удлиненную поликетидную цепь, связанную с ACP. Реакция происходит на конце цепи, связанном с KS n , так что цепь перемещается на одну позицию, а группа удлинения становится новой связанной группой.
При желании фрагмент поликетидной цепи может быть изменен поэтапно дополнительными доменами. Домен KR (кеторедуктаза) восстанавливает β-кетогруппу до β-гидроксигруппы, домен DH (дегидратаза) отщепляет H 2 O , в результате чего образуется α-β- ненасыщенный алкен , а домен ER (еноилредуктаза) восстанавливает α-β-двойную связь до одинарной связи. Эти домены модификации фактически влияют на предыдущее добавление к цепи (т. е. группу, добавленную в предыдущем модуле), а не на компонент, привлеченный к домену ACP модуля, содержащего домен модификации.
Этот цикл повторяется для каждого модуля удлинения.
Стадия завершения:
Домен TE гидролизует завершенную поликетидную цепь из домена ACP предыдущего модуля.
Фармакологическая значимость
Поликетидсинтазы являются важным источником природных малых молекул, используемых для химиотерапии. [15] Например, многие из широко используемых антибиотиков, таких как тетрациклин и макролиды , производятся поликетидсинтазами. Другие промышленно важные поликетиды — это сиролимус (иммунодепрессант), эритромицин (антибиотик), ловастатин (антихолестериновый препарат) и эпотилон B (противораковый препарат). [16]
Поликетиды — это большое семейство природных продуктов, широко используемых в качестве лекарств, пестицидов, гербицидов и биологических зондов. [17]
Существуют противогрибковые и антибактериальные поликетидные соединения, а именно офиокордин и офиосетин. [ необходима цитата ]
И исследуются для синтеза биотоплива и промышленных химикатов. [18]
Экологическое значение
Только около 1% всех известных молекул являются натуральными продуктами, однако было признано, что почти две трети всех используемых в настоящее время лекарств, по крайней мере частично, получены из натурального источника. [19] Это смещение обычно объясняется аргументом, что натуральные продукты ко-эволюционировали в окружающей среде в течение длительных периодов времени и, следовательно, были предварительно отобраны для активных структур. Продукты поликетидсинтазы включают липиды с антибиотическими, противогрибковыми, противоопухолевыми и защитными от хищников свойствами; однако многие из путей поликетидсинтазы, которые обычно используют бактерии, грибы и растения, еще не были охарактеризованы. [20] [21] Поэтому были разработаны методы обнаружения новых путей поликетидсинтазы в окружающей среде. Молекулярные доказательства подтверждают идею о том, что многие новые поликетиды еще предстоит открыть из бактериальных источников. [22] [23]
^ Khosla, C.; Gokhale, RS; Jacobsen, JR; Cane, DE (1999). «Толерантность и специфичность поликетидсинтаз». Annual Review of Biochemistry . 68 : 219–253. doi :10.1146/annurev.biochem.68.1.219. PMID 10872449.
^ Йенке-Кодама, Х.; Сандманн, А.; Мюллер, Р.; Диттманн, Э. (2005). «Эволюционные последствия бактериальных поликетидсинтаз». Молекулярная биология и эволюция . 22 (10): 2027–2039. doi : 10.1093/molbev/msi193 . PMID 15958783.
^ Weng, Jing-Ke; Noel, Joseph P. (2012). «Анализ структуры и функций поликетидсинтаз типа III растений». Биосинтез природных продуктов микроорганизмами и растениями, часть A. Методы в энзимологии. Том 515. стр. 317–335. doi :10.1016/B978-0-12-394290-6.00014-8. ISBN978-0-12-394290-6. PMID 22999180.
^ Пфайфер, Блейн А.; Хосла, Чайтан (март 2001 г.). «Биосинтез поликетидов в гетерологичных хозяевах». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 65 (1): 106–118. doi :10.1128/MMBR.65.1.106-118.2001. PMC 99020. PMID 11238987 .
^ Sattely, Elizabeth S.; Fischbach, Michael A.; Walsh, Christopher T. (2008). «Полный биосинтез: in vitro восстановление поликетидных и нерибосомальных пептидных путей». Natural Product Reports . 25 (4): 757–793. doi :10.1039/b801747f. PMID 18663394.
^ Вайсман, Кира Дж. (2020). «Бактериальные поликетидсинтазы типа I». Comprehensive Natural Products III : 4–46. doi :10.1016/b978-0-12-409547-2.14644-x. ISBN9780081026915. S2CID 201202295.
^ Helfrich, Eric JN; Piel, Jörn (2016). «Биосинтез поликетидов с помощью транс-AT поликетидсинтаз». Natural Product Reports . 33 (2): 231–316. doi :10.1039/c5np00125k. PMID 26689670.
^ "Поликетидные метаболиты". Общая фармакология: сосудистая система . 23 (6): 1228. Ноябрь 1992. doi :10.1016/0306-3623(92)90327-g.
^ Hertweck, Christian; Luzhetskyy, Andriy; Rebets, Yuri; Bechthold, Andreas (2007). «Поликетидсинтазы типа II: более глубокое понимание ферментативной командной работы». Nat. Prod. Rep . 24 (1): 162–190. doi :10.1039/B507395M. PMID 17268612.
^ Sattely, Elizabeth S.; Fischbach, Michael A.; Walsh, Christopher T. (2008). «Полный биосинтез: in vitro восстановление поликетидных и нерибосомальных пептидных путей». Natural Product Reports . 25 (4): 757–793. doi :10.1039/b801747f. PMID 18663394.
^ Абэ, Икуро; Морита, Хироюки (2010). «Структура и функция суперсемейства халконсинтаз поликетидсинтаз типа III растений». Natural Product Reports . 27 (6): 809–838. doi :10.1039/b909988n. PMID 20358127.
^ Шен, Б (апрель 2003 г.). «Биосинтез поликетидов за пределами парадигм поликетидсинтазы типа I, II и III». Current Opinion in Chemical Biology . 7 (2): 285–295. doi :10.1016/S1367-5931(03)00020-6. PMID 12714063.
^ Вонг, Чин Пиоу; Морита, Хироюки (2020). «Бактериальные поликетидсинтазы типа III». Comprehensive Natural Products III : 250–265. doi : 10.1016/b978-0-12-409547-2.14640-2. ISBN9780081026915. S2CID 195410516.
^ Симидзу, Юго; Огата, Хироюки; Гото, Сусуму (3 января 2017 г.). «Поликетидсинтазы типа III: функциональная классификация и филогеномика». ХимБиоХим . 18 (1): 50–65. дои : 10.1002/cbic.201600522 . PMID 27862822. S2CID 45980356.
^ Koehn, FE; Carter, GT (2005). «Развивающаяся роль натуральных продуктов в открытии лекарств». Nature Reviews Drug Discovery . 4 (3): 206–220. doi :10.1038/nrd1657. PMID 15729362. S2CID 32749678.
^ Ваврик, Б.; Керкхоф, Л.; Зилстра, ГДж; Кукор, ДжДж (2005). «Идентификация уникальных генов поликетидсинтазы типа II в почве». Прикладная и экологическая микробиология . 71 (5): 2232–2238. Bibcode :2005ApEnM..71.2232W. doi :10.1128/AEM.71.5.2232-2238.2005. PMC 1087561 . PMID 15870305.
^ Панкевиц, Флориан; Хилькер, Моника (май 2008 г.). «Поликетиды у насекомых: экологическая роль этих широко распространенных химических веществ и эволюционные аспекты их биогенеза». Biological Reviews . 83 (2): 209–226. doi :10.1111/j.1469-185X.2008.00040.x. PMID 18410406. S2CID 27702684.
^ Cai, Wenlong; Zhang, Wenjun (1 апреля 2018 г.). «Разработка модульных поликетидсинтаз для производства биотоплива и промышленных химикатов». Current Opinion in Biotechnology . 50 : 32–38. doi :10.1016/j.copbio.2017.08.017. PMC 5862724. PMID 28946011 .
^ Фон Нуссбаум, Ф.; Брэндс, М.; Хинзен, Б.; Вейганд, С.; Хэбих, Д. (2006). «Антибактериальные натуральные продукты в медицинской химии - исход или возрождение?». Angewandte Chemie, международное издание . 45 (31): 5072–5129. дои : 10.1002/anie.200600350. ПМИД 16881035.
^ Castoe, TA; Stephens, T.; Noonan, BP; Calestani, C. (2007). «Новая группа поликетидсинтаз типа I (PKS) у животных и сложная филогеномика PKS». Gene . 392 (1–2): 47–58. doi :10.1016/j.gene.2006.11.005. PMID 17207587.
^ Ридли, CP; Ли, HY; Хосла, C. (2008). «Специальный раздел химической экологии: Эволюция поликетидсинтаз у бактерий». Труды Национальной академии наук . 105 (12): 4595–4600. Bibcode : 2008PNAS..105.4595R. doi : 10.1073 /pnas.0710107105 . PMC 2290765. PMID 18250311.
^ Метса-Кетеля, М.; Сало, В.; Гало, Л.; Хаутала, А.; Хакала, Дж.; Мянтсяля, П.; Илигонько, К. (1999). «Эффективный подход к скринингу минимальных генов PKS от Streptomyces». Письма FEMS по микробиологии . 180 (1): 1–6. doi :10.1111/j.1574-6968.1999.tb08770.x. ПМИД 10547437.
^ Ваврик, Б.; Кутлиев, Д.; Абдивасиевна, УА; Кукор, Дж. Дж.; Зилстра, Г. Дж.; Керкхоф, Л. (2007). «Биогеография сообществ актиномицетов и гены поликетидсинтазы II типа в почвах, собранных в Нью-Джерси и Центральной Азии». Прикладная и экологическая микробиология . 73 (9): 2982–2989. Bibcode : 2007ApEnM..73.2982W. doi : 10.1128/AEM.02611-06. PMC 1892886. PMID 17337547.
