Гены ПКС определенного поликетида обычно организованы в один оперон или в кластеры генов . ПКС типа I и типа II образуют либо большие модульные белковые комплексы, либо диссоциируемые молекулярные сборки; PKS типа III существуют в виде более мелких гомодимерных белков. [3] [4]
Классификация
Механизмы реакции ПКС I, II и III типов. Декарбоксилирование малонильной единицы с последующей тио-кляйзеновской конденсацией. а) (цис-АТ) ПКС I типа с доменами ацильного белка-переносчика (ACP), кетосинтазы (KS) и ацилтрансферазы (АТ), ковалентно связанными с другим доменом. б) ПКС II типа с гетеродимером KSα-KSβ и ACP в виде отдельных белков. в) АЦП-независимый ПКС III типа.
ПКС можно разделить на три типа:
ПКС типа I представляют собой большие сложные белковые структуры с множеством модулей, которые, в свою очередь, состоят из нескольких доменов, которые обычно ковалентно связаны друг с другом и выполняют различные каталитические стадии. Минимальный состав модуля PKS типа I состоит из домена ацилтрансферазы (АТ), который отвечает за выбор используемого строительного блока, домена кетосинтазы (KS), который катализирует образование связи CC, и белка-переносчика ацила ( ACP) домен, также известный как тиолирующий домен. Последний содержит консервативный остаток Ser, посттрансляционно модифицированный фосфопантетеином, на конце которого поликетидная цепь ковалентно связывается во время биосинтеза в виде тиоэфира. Более того, внутри модуля также может существовать множество других необязательных доменов, таких как домены кеторедуктазы или дегидратазы, которые изменяют стандартную 1,3-дикарбонильную функциональность установленного кетида путем последовательного восстановления до спирта и двойной связи соответственно. [5] [6] Эти домены работают вместе, как сборочный конвейер. Этот тип ПКС I типа также называют поликетидсинтазами цис-ацилтрансферазы (цис-АТ ПКС). В отличие от этого, так называемые транс-AT PKS развивались независимо и не имеют AT-доменов в своих модулях. Вместо этого эту деятельность обеспечивают автономные домены AT. Более того, они часто содержат необычные домены с уникальной каталитической активностью. [7]
ПКС типа II ведут себя очень похоже на ПКС типа I, но с одним ключевым отличием: вместо одного большого мегафермента ПКС типа II представляют собой отдельные монофункциональные ферменты. Наименьшая возможная ПКС типа II состоит из ACP, а также двух гетеродимерных единиц KS (KSα, которая катализирует образование связи CC, и KSβ, также известной как «фактор длины цепи» — CLF, поскольку она 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 AT-домен. Кроме того, ПКС типа II часто работают итеративно, когда несколько этапов удлинения цепи выполняются одним и тем же ферментом, подобно ПКС типа III. [9] [10]
PKS типа III представляют собой небольшие гомодимеры белков массой 40 кДа, которые сочетают в себе все активности основных доменов PKS типов I и II. Однако, в отличие от ПКС I и II типов, они не требуют ACP-связанного субстрата. Вместо этого они могут использовать свободный субстрат ацил-КоА для удлинения цепи. [11] [12] [13] Более того, ПКС типа III содержат каталитическую триаду Cys-His-Asn в своем активном центре, при этом остаток цистеина действует как атакующий нуклеофил, тогда как ПКС типа I и II характеризуются Cys- Его-Его каталитическая триада. [14] Типичные продукты ПКС типа III включают фенольные липиды, такие как алкилрезорцинолы.
Помимо этих трех типов ПКС, их можно дополнительно классифицировать как итеративные и неитеративные. Итеративные PKS типа I циклически повторно используют домены. Другие классификации включают степень восстановления, осуществляемую во время синтеза растущей поликетидной цепи.
НР-ПКС — невосстанавливающие ПКС , продуктами которых являются настоящие поликетиды.
ПР-ПКС — частично сокращающие ПКС
FR-ПКС — полностью восстанавливающие ПКС, продуктами которых являются производные жирных кислот.
Модули и домены
Биосинтез предшественника доксорубицина є-родомицинона. Реакции поликетидсинтазы показаны вверху.
Каждый поликетид-синтазный модуль I типа состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерными участками. Порядок модулей и доменов полной поликетид-синтазы следующий (в порядке от N-конца к С-концу ):
Стартовый или загрузочный модуль: AT-ACP-
Модули удлинения или удлинения : -KS-AT-[DH-ER-KR]-ACP-
Поликетидная цепь и стартовые группы связаны своей карбоксильной функциональной группой с SH- группами ACP и KS-домена посредством тиоэфирной связи: R- C ( = O ) OH + HS - белок <=> R- C (= О ) S -белок + ЧАС 2 О .
Домены-переносчики ACP подобны доменам-носителям 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 в конце высвобождается в результате гидролиза или циклизации ( алкоголиза или аминолиза ).
Начальный этап:
Стартовая группа, обычно ацетил-КоА или его аналоги, загружается в домен ACP стартового модуля, катализируемый AT-доменом стартового модуля.
Стадии удлинения:
Поликетидная цепь передается из домена ACP предыдущего модуля в домен KS текущего модуля, катализируемая доменом KS.
Группа элонгации, обычно малонил-КоА или метилмалонил-КоА , загружается в текущий домен ACP, катализируемый текущим доменом AT.
Элонгационная группа, связанная с ACP, реагирует в результате конденсации Клайзена с связанной с KS поликетидной цепью при выделении CO 2 , оставляя свободный домен KS и связанную с ACP удлиненную поликетидную цепь. Реакция происходит на связанном с KS n конце цепи, так что цепь смещается на одно положение, и группа элонгации становится новой связанной группой.
Необязательно, фрагмент поликетидной цепи может быть поэтапно изменен дополнительными доменами. Домен KR (кето-редуктаза) восстанавливает β-кетогруппу до β-гидроксигруппы, домен DH (дегидратаза) отщепляет H 2 O , в результате чего образуется α-β- ненасыщенный алкен , а ER (еноилредуктаза) ) домен восстанавливает двойную связь α-β до одинарной. Важно отметить, что эти домены модификации фактически влияют на предыдущее добавление в цепочку (т. е. на группу, добавленную в предыдущем модуле), а не на компонент, рекрутированный в домен ACP модуля, содержащего домен модификации.
Этот цикл повторяется для каждого модуля удлинения.
Стадия завершения:
Домен TE гидролизует завершенную поликетидную цепь ACP-домена предыдущего модуля.
Фармакологическая значимость
Поликетидсинтазы являются важным источником встречающихся в природе малых молекул, используемых для химиотерапии. [15] Например, многие из широко используемых антибиотиков, таких как тетрациклин и макролиды , производятся поликетидсинтазами. Другими промышленно важными поликетидами являются сиролимус (иммунодепрессант), эритромицин (антибиотик), ловастатин (антихолестериновый препарат) и эпотилон B (противораковый препарат). [16]
Поликетиды — это большое семейство натуральных продуктов, широко используемых в качестве лекарств, пестицидов, гербицидов и биологических зондов. [17]
Существуют противогрибковые и антибактериальные поликетидные соединения, а именно офиокордин и офиозетин. [ нужна цитата ]
И исследуются для синтеза биотоплива и промышленных химикатов. [18]
Экологическое значение
Лишь около 1% всех известных молекул являются натуральными продуктами, однако признано, что почти две трети всех используемых в настоящее время лекарств, по крайней мере частично, получены из природного источника. [19] Эту предвзятость обычно объясняют тем, что натуральные продукты эволюционировали в окружающей среде в течение длительного периода времени и поэтому были предварительно выбраны для создания активных структур. Продукты поликетидсинтазы включают липиды, обладающие антибиотическими, противогрибковыми, противоопухолевыми свойствами и свойствами защиты от хищников; однако многие пути поликетидсинтазы, которые обычно используют бактерии, грибы и растения, еще не охарактеризованы. [20] [21] Поэтому были разработаны методы обнаружения новых путей поликетидсинтазы в окружающей среде. Молекулярные данные подтверждают мнение о том, что многие новые поликетиды еще предстоит открыть из бактериальных источников. [22] [23]
^ Дженке-Кодама, Х.; Сандманн, А.; Мюллер, Р.; Диттманн, Э. (2005). «Эволюционное значение бактериальных поликетидсинтаз». Молекулярная биология и эволюция . 22 (10): 2027–2039. дои : 10.1093/molbev/msi193 . ПМИД 15958783.
^ Венг, Цзин-Ке; Ноэль, Джозеф П. (2012). «Структурно-функциональный анализ поликетидсинтаз растений III типа». Биосинтез натуральных продуктов микроорганизмами и растениями, Часть А. Методы энзимологии. Том. 515. С. 317–335. дои : 10.1016/B978-0-12-394290-6.00014-8. ISBN978-0-12-394290-6. ПМИД 22999180.
^ Пфайфер, Блейн А.; Хосла, Чайтан (март 2001 г.). «Биосинтез поликетидов у гетерологичных хозяев». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 65 (1): 106–118. дои :10.1128/MMBR.65.1.106-118.2001. ПМК 99020 . ПМИД 11238987.
^ Сатттели, Элизабет С.; Фишбах, Майкл А.; Уолш, Кристофер Т. (2008). «Тотальный биосинтез: восстановление in vitro поликетидных и нерибосомальных пептидных путей». Отчеты о натуральных продуктах . 25 (4): 757–793. дои : 10.1039/b801747f. ПМИД 18663394.
^ Вайсман, Кира Дж. (2020). «Бактериальные поликетидсинтазы I типа». Комплексные натуральные продукты III : 4–46. doi : 10.1016/b978-0-12-409547-2.14644-x. ISBN9780081026915. S2CID 201202295.
^ «Метаболиты поликетидов». Общая фармакология: Сосудистая система . 23 (6): 1228. Ноябрь 1992 г. doi :10.1016/0306-3623(92)90327-g.
^ Хертвек, Кристиан; Лужецкий, Андрей; Ребец, Юрий; Бехтольд, Андреас (2007). «Поликетидсинтазы типа II: более глубокое понимание совместной работы ферментов». Нат. Прод. Представитель . 24 (1): 162–190. дои : 10.1039/B507395M. ПМИД 17268612.
^ Сатттели, Элизабет С.; Фишбах, Майкл А.; Уолш, Кристофер Т. (2008). «Тотальный биосинтез: восстановление in vitro поликетидных и нерибосомальных пептидных путей». Отчеты о натуральных продуктах . 25 (4): 757–793. дои : 10.1039/b801747f. ПМИД 18663394.
^ Абэ, Икуро; Морита, Хироюки (2010). «Структура и функция суперсемейства халконсинтаз поликетидсинтаз растительного типа III». Отчеты о натуральных продуктах . 27 (6): 809–838. дои : 10.1039/b909988n. ПМИД 20358127.
^ Шен, Б. (апрель 2003 г.). «Биосинтез поликетидов за пределами парадигм поликетидсинтаз I, II и III типов». Современное мнение в области химической биологии . 7 (2): 285–295. дои : 10.1016/S1367-5931(03)00020-6. ПМИД 12714063.
^ Вонг, Чин Пиоу; Морита, Хироюки (2020). «Бактериальные поликетидсинтазы III типа». Комплексные натуральные продукты III : 250–265. дои : 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.
^ Коэн, FE; Картер, GT (2005). «Развивающаяся роль натуральных продуктов в открытии лекарств». Nature Reviews Открытие лекарств . 4 (3): 206–220. дои : 10.1038/nrd1657. PMID 15729362. S2CID 32749678.
^ Ваврик, Б.; Керкхоф, Л.; Зилстра, Г.Дж.; Кукор, Джей Джей (2005). «Идентификация уникальных генов поликетидсинтазы II типа в почве». Прикладная и экологическая микробиология . 71 (5): 2232–2238. Бибкод : 2005ApEnM..71.2232W. doi :10.1128/AEM.71.5.2232-2238.2005. ПМЦ 1087561 . ПМИД 15870305.
^ Панкевиц, Флориан; Хилкер, Моника (май 2008 г.). «Поликетиды у насекомых: экологическая роль этих широко распространенных химических веществ и эволюционные аспекты их биогенеза». Биологические обзоры . 83 (2): 209–226. дои : 10.1111/j.1469-185X.2008.00040.x. PMID 18410406. S2CID 27702684.
^ Цай, Вэньлун; Чжан, Вэньцзюнь (1 апреля 2018 г.). «Разработка модульных поликетидсинтаз для производства биотоплива и промышленных химикатов». Современное мнение в области биотехнологии . 50 : 32–38. doi : 10.1016/j.copbio.2017.08.017. ПМЦ 5862724 . ПМИД 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.
^ Касто, штат Калифорния; Стивенс, Т.; Нунан, BP; Калестани, К. (2007). «Новая группа поликетидсинтаз I типа (ПКС) у животных и сложная филогеномика ПКС». Джин . 392 (1–2): 47–58. дои : 10.1016/j.gene.2006.11.005. ПМИД 17207587.
^ Ридли, CP; Ли, Хай; Хосла, К. (2008). «Специальный выпуск химической экологии: эволюция поликетидсинтаз у бактерий». Труды Национальной академии наук . 105 (12): 4595–4600. Бибкод : 2008PNAS..105.4595R. дои : 10.1073/pnas.0710107105 . ПМК 2290765 . ПМИД 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. дои : 10.1016/S0378-1097(99)00453-X. ПМИД 10547437.
^ Ваврик, Б.; Кутлиев Д.; Абдивасиевна, Ю.А.; Кукор, Джей Джей; Зилстра, Г.Дж.; Керкхоф, Л. (2007). «Биогеография сообществ актиномицетов и генов поликетидсинтазы типа II в почвах, собранных в Нью-Джерси и Центральной Азии». Прикладная и экологическая микробиология . 73 (9): 2982–2989. Бибкод : 2007ApEnM..73.2982W. дои :10.1128/АЕМ.02611-06. ЧВК 1892886 . ПМИД 17337547.
