Введение

Вторичные метаболиты
Нерибосомные пептиды (НРП) – это класс пептидных вторичных метаболитов, обычно производимых микроорганизмами, такими как бактерии и грибы. Нерибосомные пептиды также встречаются в высших организмах, например, у голожаберных моллюсков, но считается, что они производятся бактериями внутри этих организмов. Хотя существует широкий спектр пептидов, которые не синтезируются рибосомами, термин «нерибосомный пептид» обычно относится к очень специфической группе этих пептидов, как обсуждается в данной статье. Нерибосомные пептиды синтезируются нерибосомными пептидными синтетазами, которые, в отличие от рибосом, не зависят от матричной РНК (мРНК). Каждая нерибосомная пептидная синтетаза способна синтезировать только один тип пептида. Нерибосомные пептиды часто имеют циклическую и/или разветвленную структуру, могут содержать непротеиногенные аминокислоты, включая D-аминокислоты, нести модификации, такие как N-метильные и N-формильные группы, или быть гликозилированными, ацилированными, галогенированными или гидроксилированными. Часто происходит циклизация аминокислот относительно пептидного «скелета», приводящая к образованию оксазолинов и тиазолинов, которые могут быть дополнительно окислены или восстановлены. В некоторых случаях серины подвергаются дегидратации, образуя дегидроаланин. Это лишь пример различных манипуляций и вариаций, которые могут осуществляться нерибосомными пептидами. Нерибосомные пептиды часто представляют собой димеры или тримеры идентичных последовательностей, соединенных вместе или циклизованных, или даже разветвленных. Нерибосомные пептиды – это очень разнообразное семейство природных соединений с чрезвычайно широким спектром биологической активности и фармакологических свойств. Они часто являются токсинами, сидерофорами или пигментами. Нерибосомные пептидные антибиотики, цитостатики и иммуносупрессоры применяются в коммерческих целях.

Биосинтез

Нерибосомные пептиды синтезируются одним или несколькими специализированными ферментами нерибосомной пептидной синтетазы (NRPS). Гены NRPS для определенного пептида обычно организованы в одном опероне у бактерий и в кластерах генов у эукариот. Однако первым обнаруженным грибным NRP был циклоспорин, синтезируемый одной NRPS размером 1,6 МДа. Ферменты организованы в модули, каждый из которых отвечает за введение одной дополнительной аминокислоты. Каждый модуль состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерными областями примерно из 15 аминокислот. Биосинтез нерибосомных пептидов имеет общие черты с биосинтезом поликетидов и жирных кислот. Благодаря этим структурным и механистическим сходствам, некоторые нерибосомные пептидные синтетазы содержат модули поликетидсинтазы для включения ацетатных или пропионатных субъединиц в пептидную цепь. Следует отметить, что до 10% бактериальных NRPS представлены не крупными модульными белками, а отдельными ферментами.

Начальный этап

Загрузка: Первая аминокислота активируется с помощью АТФ, образуя смешанный ацилфосфорный ангидрид с АМФ, посредством домена А, и присоединяется к сериновой группе, связанной с 4'-фосфопантетином (4'-ПП), боковой цепи домена PCP, что катализируется доменом PCP (тиолирование). Для своей активности некоторые домены А требуют взаимодействия с белками, подобными MbtH. В некоторых случаях аминогруппа присоединенной аминокислоты формилируется доменом F или метилируется доменом NMT.

Этапы удлинения

Загрузка: аналогично начальной стадии, каждый модуль загружает свою специфическую аминокислоту на свой PCP-домен. Конденсация: C-домен катализирует образование амидной связи между тиоэстерной группой растущей пептидной цепи из предыдущего модуля и аминогруппой текущего модуля. Расширенный пептид теперь присоединен к текущему PCP-домену. Конденсационная циклизация: Иногда C-домен заменяется Cy-доменом, который, помимо образования амидной связи, катализирует реакцию боковой цепи серина, треонина или цистеина с амидным азотом, тем самым образуя оксазолидины и тиазолидины соответственно. Эпимеризация: Иногда E-домен эпимеризует самую внутреннюю аминокислоту пептидной цепи в D-конфигурацию. Этот цикл повторяется для каждого удлиняющего модуля.

Этап прекращения

Завершение: Домен TE (тиоэстеразы) гидролизует завершенную полипептидную цепь, отщепляя ее от домена PCP предыдущего модуля, что часто приводит к образованию циклических амидов (лактамов) или циклических эфиров (лактонов). Альтернативно, пептид может быть высвобожден доменом R, который восстанавливает тиоэстерную связь до терминального альдегида или спирта.

Обработка

Окончательный пептид часто подвергается модификациям, например, гликозилированию, ацилированию, галогенированию или гидроксилированию. Ферменты, ответственные за эти модификации, обычно ассоциированы с комплексом синтетазы, а их гены организованы в одних и тех же оперонах или кластерах генов.

Подготовитель и разблокировка

Для того чтобы стать функциональной, 4'-фосфопантетиновая боковая цепь молекул ацил-КоА должна быть присоединена к домену PCP 4'-PP-трансферазами (инициация), а S-связанная ацильная группа должна быть удалена специализированными ассоциированными тиоэстеразами (TE II) (удаление блокировки).

Специфика субстрата

Большинство доменов обладают очень широкой субстратной специфичностью, и обычно только домен А определяет, какая аминокислота включается в модуль. Было идентифицировано десять аминокислот, контролирующих субстратную специфичность и которые можно рассматривать как «кодоны» нерибосомного синтеза пептидов. Рациональный дизайн белков позволил разработать методы вычислительного изменения специфичности доменов А. Считается, что конденсационный домен С также обладает субстратной специфичностью, особенно если он расположен после модуля, содержащего эпимеразу Е, где он выполняет функцию «фильтра» для эпимеризованного изомера. Для предсказания субстратной специфичности по данным последовательности ДНК или белка были разработаны вычислительные методы, такие как SANDPUMA и NRPSpredictor2.