Введение

Пиролизин (символ Pyl или O; кодируется стоп-кодоном "amber" UAG) — это α-аминокислота, используемая в биосинтезе белков в некоторых метаногенных археях и бактериях; у человека она отсутствует. Она содержит α-аминогруппу (находящуюся в протонированной форме –NH3+ в биологических условиях) и карбоксильную группу (находящуюся в депротонированной форме –COO− в биологических условиях). Её пирролиновая боковая цепь, подобно лизину, является основной и положительно заряженной при нейтральном pH.

Генетика

Почти все гены транслируются с использованием только 20 стандартных аминокислотных строительных блоков. Две необычные генетически закодированные аминокислоты — селеноцистеин и пирролизин. Пирролизин был обнаружен в 2002 году в активном центре фермента метилтрансферазы из метаногенного археона Methanosarcina barkeri. Установлено с помощью MALDI-масс-спектрометрии, что пирролизин состоит из 4-метилпирролин-5-карбоксилата, соединенного амидной связью с εN-группой лизина.

Синтез

Пиролизин синтезируется in vivo путем соединения двух молекул L-лизина. Одна молекула лизина сначала превращается в (3R)-3-метил-D-орнитин, который затем лигируется со второй молекулой лизина. После этого происходит элиминирование группы NH2, за которым следуют циклизация и дегидратация, приводящие к образованию L-пиролизина.

Каталитическая функция

Дополнительное пирролиновое кольцо включено в активный сайт нескольких метилтрансфераз, где, как считается, оно вращается относительно свободно. Предполагается, что кольцо участвует в позиционировании и экспонировании метильной группы метиламина для атаки корриноидным кофактором. Предлагаемая модель заключается в том, что находящийся поблизости остаток карбоновой кислоты, глутамат, протонируется, и протон затем может быть перенесен на атом азота иминового кольца, обнажая соседний атом углерода кольца для нуклеофильного присоединения метиламином. Положительно заряженный атом азота, образовавшийся в результате этого взаимодействия, может затем взаимодействовать с депротонированным глутаматом, вызывая изменение ориентации кольца и экспонируя метильную группу, происходящую из метиламина, в связывающую щель, где она может взаимодействовать с корриноидом. Таким образом, чистый CH3+ переносится на атом кобальта кофактора с изменением степени окисления с I до III. Затем выделяется аммиак, образованный из метиламина, восстанавливая исходный имин. Например, система обеспечила включение одного из двух флюорофоров, специфически внедренных в кальмодулин, для наблюдения в реальном времени за изменениями в белке с помощью FRET-спектроскопии, а также сайт-специфическое введение фотоклеточной производной лизина. (См. Расширенный генетический код).

Первоначально было предложено, что специфическая последовательность ниже по течению "PYLIS", формирующая шпильку в мРНК, заставляет включать пирролизин вместо прекращения трансляции в метаногенных археях. Это аналогично элементу SECIS для включения селеноцистеина.

Эволюция

Гены pylT (тРНК) и pylS (аа-тРНК-синтетаза) являются частью оперона Methanosarcina barkeri, с гомологами у других секвенированных представителей семейства Methanosarcinaceae: M. acetivorans, M. mazei и M. thermophila. Известно, что белки, содержащие пирролизин, включают монометиламинометилтрансферазу (mtmB), диметиламинометилтрансферазу (mtbB) и триметиламинометилтрансферазу (mttB). Гомологи pylS и pylT также были обнаружены у антарктического архея, Methanosarcina barkeri, и грамположительной бактерии Desulfitobacterium hafniense. Другие гены оперона Pyl участвуют в биосинтезе пирролизина, что позволяет описывать оперон как "кассету для естественного расширения генетического кода". Для пирролизиновой системы было предложено несколько эволюционных сценариев. Современная (2022) точка зрения, основанная на доступных последовательностях генов тРНК и Pyl-тРНК-синтетазы (PylRS), заключается в следующем: тРНК(Pyl) дивергировала от тРНК(Phe) в период между расхождением трех доменов (~LUCA) и расхождением археальных фил, но была утрачена в неархеальных линиях; сейчас известно, что широкий спектр прокариот обладает этими двумя генами. Также известно, что некоторые неметаногены также имеют эти два гена, однако первоначальная датировка оказалась не слишком неточной. Это, вероятно, верно, согласно исследованию 2022 года, хотя в оригинальной статье предполагалась связь с метаногенезом. Дальнейшие исследования показали, что гены, кодирующие LysRS1 и LysRS2, не требуются для нормального роста на метаноле и метиламинах при нормальных уровнях метилтрансферазы, и они не могут заменить pylS в рекомбинантной системе для подавления стоп-кодона UAG (амбер).