非リボソームペプチド

非リボソームペプチド（NRP）は、通常、細菌や真菌などの微生物によって生成されるペプチド二次代謝産物の一種です。非リボソームペプチドはウミウシなどの高等生物にも見られますが、これらの生物の内部の細菌によって作られると考えられています。 ^[1]リボソームによって合成されないペプチドは多岐にわたりますが、この記事で説明するように、非リボソームペプチドという用語は通常、これらの非常に特定のセットを指します。

非リボソームペプチドは、リボソームとは異なりメッセンジャーRNAに依存しない非リボソームペプチド合成酵素によって合成されます。各非リボソームペプチド合成酵素は、1種類のペプチドのみを合成できます。非リボソームペプチドは、環状および/または分岐構造をとることが多く、Dアミノ酸などの非タンパク質構成アミノ酸を含み、 Nメチル基やNホルミル基などの修飾を受け、グリコシル化、アシル化、ハロゲン化、またはヒドロキシル化されています。ペプチド「バックボーン」に対するアミノ酸の環化は、多くの場合行われ、オキサゾリンとチアゾリンが生成されます。これらは、さらに酸化または還元することができます。場合によっては、セリンに対して脱水が行われ、デヒドロアラニンが生成されます。これは、非リボソームペプチドが実行できるさまざまな操作とバリエーションのほんの一例です。非リボソームペプチドは、多くの場合、同一の配列が鎖状または環状に、あるいは分岐した二量体または三量体です。

非リボソームペプチドは、非常に幅広い生物学的活性と薬理学的特性を持つ、非常に多様な天然物質のファミリーです。これらは、多くの場合、毒素、シデロフォア、または色素です。非リボソームペプチドの抗生物質、細胞増殖抑制剤、および免疫抑制剤は商業的に使用されています。

例

抗生物質
- アクチノマイシン
- バシトラシン
- カルシウム依存性抗生物質
- ダプトマイシン
- バンコマイシン
- テイクソバクチン
- チロシジン
- グラミシジン
- ツヴィッターマイシンA
抗生物質の前駆物質
- ACV-トリペプチド
細胞増殖抑制剤
- エポチロン
- ファブクラヴィン
- ブレオマイシン
免疫抑制剤
- シクロスポリン（シクロスポリンA）
シデロフォア
- ピオベルジン
- エンテロバクチン
- ミクソケリンA
顔料
- インジゴイジン
毒素
- ミクロシスチンと
- ノジュラリン、シアノバクテリア由来のシアノトキシン。
窒素貯蔵ポリマー
- シアノフィシン– 一部のシアノバクテリアによって生成される
植物毒
- HC毒素 – 植物病原菌コクリオボラス（ヘルミントスポリウム）カルボナム^{によって生成される毒性因子[2]}
- AM毒素 – 植物病原菌Alternaria alternata pv. Maliによって生成される^[3]
- ビクトリンは、病原菌Cochliobolus victoriaeによって生成される塩素化環状ペンタペプチドです。非リボソーム合成は確立されていません。

生合成

非リボソームペプチドは、1つまたは複数の特殊な非リボソームペプチド合成酵素（NRPS）によって合成されます。特定のペプチドのNRPS遺伝子は、通常、細菌では1つのオペロンに、真核生物では遺伝子クラスターに編成されています。しかし、最初に発見された真菌NRPはシクロスポリンでした。これは、単一の1.6MDa NRPSによって合成されます。^[4]酵素は、1つの追加アミノ酸の導入を担うモジュールに編成されています。各モジュールは、約15アミノ酸の短いスペーサー領域で区切られた、定義された機能を持ついくつかのドメインで構成されています。^[5]

非リボソームペプチドの生合成は、ポリケチドや脂肪酸の生合成と特徴を共有しています。これらの構造的および機構的類似性により、一部の非リボソームペプチド合成酵素には、酢酸またはプロピオン酸由来のサブユニットをペプチド鎖に挿入するためのポリケチド合成酵素モジュールが含まれています。^[6]

細菌のNRPSの10%は大きなモジュールタンパク質としてではなく、独立した酵素として配置されていることに注意してください。^[6]一部のNRPSモジュールは標準のドメイン構造から逸脱しており、いくつかの追加ドメインが記述されています。また、基質に異常なアミノ酸を組み込むための他の修飾の足場として機能するNRPS酵素もあります。^[7]

モジュール

完全な非リボソームペプチド合成酵素のモジュールとドメインの順序は次のとおりです。

開始モジュール: [F/NMT]-A-PCP-
伸長モジュール: -(C/Cy)-[NMT]-A-PCP-[E] -
終了または解放モジュール: -(TE/R)

（順序：N末端からC末端へ；[]：任意；（）：代替）

ドメイン

F: ホルミル化（オプション）
A: アデニル化（モジュールで必須）
PCP: 4'-ホスホパンテテインが結合したチオール化およびペプチドキャリアタンパク質（モジュールで必要）
C: アミド結合を形成する縮合（モジュールで必要）
Cy: チアゾリンまたはオキサゾリンへの環化（オプション）
Ox: チアゾリンまたはオキサゾリンからチアゾールまたはオキサゾールへの酸化（オプション）
赤: チアゾリンまたはオキサゾリンからチアゾリジンまたはオキサゾリジンへの還元 (オプション)
E: D-アミノ酸へのエピマー化（オプション）
NMT: N -メチル化（オプション）
TE: チオエステラーゼによる終結（NRPS では 1 つだけ見つかる）
R: 末端アルデヒドまたはアルコールへの還元（オプション）
X: シトクロムP450酵素をリクルートする（オプション）

スタートステージ

ロード: 最初のアミノ酸は、AドメインによってAMPと混合アシルリン酸無水物としてATPで活性化され、 PCP ドメインによって触媒されて PCP ドメインのセリン結合 4'-ホスホパンテチン(4'PP) 側鎖にロードされます (チオレーション)。
いくつかのAドメインは、その活性のためにMbtH様タンパク質との相互作用を必要とする。^[8]^[9]
結合したアミノ酸のアミノ基は、F ドメインによってホルミル化されるか、 NMT ドメインによってメチル化されることがあります。

伸長段階

ロード: 開始段階と同様に、各モジュールは特定のアミノ酸を PCP ドメインにロードします。
縮合: C ドメインは、前のモジュールから伸びるペプチド鎖のチオエステル基と現在のモジュールのアミノ基との間のアミド結合形成を触媒します。伸長したペプチドは、現在の PCP ドメインに結合します。
縮合-環化: C ドメインが Cy ドメインに置き換えられる場合があり、アミド結合の形成に加えて、セリン、スレオニン、またはシステイン側鎖とアミドNとの反応を触媒し、それぞれオキサゾリジンとチアゾリジンを形成します。
エピマー化: E ドメインは、ペプチド鎖の最も内側のアミノ酸を D 構成にエピマー化することがあります。
このサイクルは各伸長モジュールごとに繰り返されます。

終了段階

終結: TE ドメイン (チオエステラーゼドメイン) は、前のモジュールの PCP ドメインから完成したポリペプチド鎖を加水分解し、多くの場合、環状アミド (ラクタム) または環状エステル(ラクトン) を形成します。
また、ペプチドは、末端アルデヒドまたはアルコールへのチオエステル結合を還元するR ドメインによって放出されることもあります。

処理

最終的なペプチドは、グリコシル化、アシル化、ハロゲン化、またはヒドロキシル化などによって修飾されることが多い。関与する酵素は通常、合成酵素複合体に関連付けられており、それらの遺伝子は同じオペロンまたは遺伝子クラスターに編成されている。

プライミングとデブロッキング

機能的になるためには、アシルCoA分子の4'-ホスホパンテテイン側鎖が4'PPトランスフェラーゼによってPCPドメインに結合され（プライミング）、S結合アシル基が特殊な関連チオエステラーゼ（TE-II）によって除去される（デブロッキング）必要があります。

基質特異性

ほとんどのドメインは非常に幅広い基質特異性を持ち、通常、Aドメインのみがモジュールに組み込まれるアミノ酸を決定します。基質特異性を制御し、非リボソームペプチド合成の「コドン」と考えることができる10のアミノ酸が特定されており、合理的なタンパク質設計により、 Aドメインの特異性を計算的に切り替える方法論が生まれました。^[10] 凝縮Cドメインも基質特異性を持つと考えられており、特にエピメラーゼEドメインを含むモジュールの後ろに位置し、エピマー化された異性体の「フィルター」として機能する場合はそうです。SANDPUMA ^[11]やNRPSpredictor2 ^[12]などの計算方法は、DNAまたはタンパク質配列データから基質特異性を予測するために開発されています。

ポリケチドと混合

ポリケチド合成酵素(PKS)との類似性により、多くの二次代謝物は実際には NRP とポリケチドの融合体です。本質的には、PK モジュールが NRP モジュールの後に続く場合、またはその逆の場合にこれが起こります。両方のタイプの合成酵素のキャリア (PCP/ACP) ドメイン間には高い類似性がありますが、化学的な観点から見ると、凝縮のメカニズムは異なります。

PKS、クライゼン縮合反応による炭素-炭素結合の形成
NRPでは、Cドメインは鎖に付加したアミノ酸（1つのモジュールのPCP上）と新生ペプチド（次のモジュールのPCP上）との間のアミド結合形成を触媒する。^[13]

参照

参考文献

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さらに読む

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[12] Röttig M、Medema MH、Blin K、Weber T、Rausch C、Kohlbacher O (2011 年 7 月)。「NRPSpredictor2 - NRPS アデニル化ドメイン特異性を予測するための Web サーバー」。Nucleic Acids Research。39 ( Webサーバー号): W362-7。doi : 10.1093 /nar/gkr323。PMC 3125756。PMID 21558170。

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