ピロリシン

ピロリシン

名前
IUPAC名 ピロリシン[1]
体系的なIUPAC名 N 6 -{[(2 R ,3 R )-3-メチル-3,4-ジヒドロ-2 H -ピロール-2-イル]カルボニル} -L-リジン
その他の名前 (2 S )-2-アミノ-6-{[(2 R ,3 R )-3-メチル-3,4-ジヒドロ-2 H -ピロール-2-カルボニル]-アミノ}-ヘキサン酸 N 6 -(4-メチル-1,2-ジデヒドロピロリジン-5-カルボキシル)- L -リジン モノメチルアミンメチルトランスフェラーゼ補因子リジン付加物
識別子
CAS番号	448235-52-7 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像 双性イオン：インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:21860 いいえ
ケムスパイダー	4574156 はい
ケッグ	C16138 はい
パブケム CID	5460671
ユニ	H3214Y96LP はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID70420110
InChI InChI=1S/C12H21N3O3/c1-8-5-7-14-10(8)11(16)15-6-3-2-4-9(13)12 (17)18/h7-10H,2-6,13H2,1H3,(H,15,16)(H,17,18)/t8-,9+,10-/m1/s1 はい キー: ZFOMKMMPBOQKMC-KXUCPTDWSA-N はい InChI=1/C12H21N3O3/c1-8-5-7-14-10(8)11(16)15-6-3-2-4-9(13)12( 17)18/h7-10H,2-6,13H2,1H3,(H,15,16)(H,17,18)/t8-,9+,10-/m1/s1 キー: ZFOMKMMPBOQKMC-KXUCPTDWBO
笑顔 C[C@@H]1CC=N[C@H]1C(=O)NCCCC[C@@H](C(=O)O)N 両性イオン：O=C(NCCCC[C@@H](C(=O)[O-])[NH3+])[C@@H]1/N=C\C[C@H]1C
プロパティ
化学式	Ｃ１２Ｈ２１Ｎ３Ｏ３
モル質量	255.313 グラム/モル
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 いいえ 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

ピロリシン（記号PylまたはO ; ^[2] 'アンバー'終止コドン UAGによってコードされる）は、メタン生成古細菌および細菌におけるタンパク質の生合成に用いられるα-アミノ酸である。^{[3] [4]}ヒトには存在しない。ピロリシンには、α-アミノ基（プロトン化されたNH ⁺
₃ピロリン基は、生物学的条件下ではプロトン化されていない -COO − 型である）とカルボン酸基（生物学的条件下では脱プロトン化された -COO ⁻型である）から構成される。ピロリン側鎖は、中性 pH で塩基性であり正に帯電するという点でリジンの側鎖に似ている。 ^{[出典が必要]}

ほぼすべての遺伝子は、20 種類の標準的なアミノ酸構成要素のみを使用して翻訳されます。遺伝的にコードされる珍しいアミノ酸には、セレノシステインとピロリシンがあります。ピロリシンは、2002 年にメタン生成古細菌Methanosarcina barkeriのメチルトランスフェラーゼ酵素の活性部位で発見されました。^{[5] [6]このアミノ酸は UAG (通常は終止コドン) によってコードされており、その合成とタンパク質への組み込みは、} pylTSBCD遺伝子クラスターによってコードされる生物学的機構によって媒介されます。^[4]

X線結晶構造解析^[6]とMALDI 質量分析法によって決定されたように、ピロリシンはリジンのεN^とアミド結合した4-メチルピロリン-5-カルボキシレートで構成されています。^[7]

ピロリシンは、L-リジン2分子を結合させることで体内で合成されます。リジン1分子はまず(3R ) -3-メチル-D-オルニチンに変換され、次に2つ目のリジンと結合します。NH2基が除去され、環化と脱水反応を経てL-ピロリシンが生成されます_。[ 8 ^]

余分なピロリン環はいくつかのメチルトランスフェラーゼの活性部位に組み込まれ、そこで比較的自由に回転すると考えられている。この環は、メチルアミンのメチル基をコリノイド補因子による攻撃のために配置および提示することに関与していると考えられている。提案されたモデルは、近くのカルボン酸残基であるグルタミン酸がプロトン化され、次にプロトンがイミン環窒素に転移し、隣接する環炭素がメチルアミンによる求核付加にさらされるというものである。この相互作用によって生成された正に帯電した窒素は、次に脱プロトン化されたグルタミン酸と相互作用し、環の向きの変化を引き起こし、メチルアミン由来のメチル基を結合溝にさらしてコリノイドと相互作用できるようにする。このようにして、正味のCH ⁺
₃補因子のコバルト原子に転移し、酸化状態がIからIIIに変化する。その後、メチルアミン由来のアンモニアが放出され、元のイミンが復元される。^[6]

ヒドロキシリジン、メチルリジン、ヒプシンなどのリジンの翻訳後修飾とは異なり、ピロリシンは標準アミノ酸と同様に、遺伝暗号の指示に従って翻訳（タンパク質合成）中に組み込まれます。 mRNAではUAGコドンによってコード化されており、ほとんどの生物では「アンバー」ストップコドンです。これには、 CUA アンチコドンを持つ珍しい転移 RNA (tRNA)をコード化するpylT遺伝子と、pylT由来の tRNA にピロリシンを充填するクラス IIアミノアシル tRNA 合成酵素をコード化するpylS遺伝子のみが必要です。

この新しいtRNA-aaRSペア（「直交ペア」）は、大腸菌の他の合成酵素やtRNAとは独立しており、さらに処理されるアミノ酸の範囲に柔軟性があるため、修飾タンパク質内の任意の場所に幅広い機能化学基を配置できる魅力的なツールとなっています。^{[9] [10]}たとえば、このシステムでは、カルモジュリン内に部位特異的に組み込まれた2つの蛍光体のうちの1つが提供され、 FRET分光法によるタンパク質内の変化のリアルタイム検査が可能になりました。 ^{[11]また、}光ケージリジン誘導体の部位特異的導入も可能になりました。^{[12] （}拡張遺伝コードを参照）

もともと、 mRNA内でステムループを形成する特定の下流配列「PYLIS」が、メタン生成古細菌における翻訳を終了させる代わりにピロリシンの組み込みを強制すると提案されていました。これは、セレノシステイン組み込みのSECIS要素に類似しています。^[13]しかし、PYLIS モデルは、PYLIS 要素間の構造相同性の欠如と、これらの種における UAG 停止の欠如を考慮して支持を失っています。^[14]

pylT (tRNA) およびpylS (aa-tRNA シンターゼ) 遺伝子はMethanosarcina barkeriのオペロンの一部であり、配列が決定されている Methanosarcinaaceae 科の他のメンバーである M. acetivorans 、 M. mazei 、および M. thermophila に相同遺伝子があります。ピロリシン含有タンパク質には、モノメチルアミンメチルトランスフェラーゼ(mtmB)、ジメチルアミンメチルトランスフェラーゼ(mtbB)、およびトリメチルアミンメチルトランスフェラーゼ(mttB)が含まれることが知られています。pylSおよびpylTの相同遺伝子は、南極の古細菌Methanosarcina barkeriおよびグラム陽性細菌Desulfitobacterium hafnienseでも見つかっています。^{[13] [15]} Pylオペロンの他の遺伝子はピロリシン生合成を媒介し、このオペロンは「天然の遺伝コード拡張カセット」と説明される。^[16]

ピロリシンシステムについては、いくつかの進化シナリオが提案されている。現在（2022年）の見解では、tRNAとPyl-tRNA（PylRS）合成酵素遺伝子の利用可能な配列に基づいて、次のようになっている。^[17]

• tRNA(Pyl)は3つのドメイン（~ LUCA）の分岐と古細菌門の分岐の間の時期にtRNA(Phe)から分岐したが、非古細菌系統では失われた。^[17]
• PylRSは、すべての古細菌の共通の祖先から生まれた。PylRS のドメイン構成はいくつか知られている。pylS自体はN 末端tRNA 結合ドメインとC 末端合成酵素ドメインから構成されるが、他の構成は別々のタンパク質の 2 つのドメインから構成されるか、単独の C 末端ドメインからなるタンパク質から構成される。CTD はおそらく PheRS から生まれた。NTD は、類縁関係が知られていない古細菌の革新である。祖先の PylRS はおそらく「2 つの別々のタンパク質」構成を採用した。^[17]
• 「遺伝暗号拡張カセット」は後に様々な細菌に移植された。このカセットのPylRSは分割ドメイン構成となっている。^[17]

以前の進化のシナリオは、既知の合成酵素の分類範囲によって制限されていました。

• 2007年に、このアミノ酸の使用がメタノサルシナ科に限定されていることが明らかになったとき、このシステムは遺伝コードに21番目のアミノ酸が追加された「後期古細菌の発明」と説明されました。^[18]現在では、広範囲の原核生物がこれら2つの遺伝子を持っていることが知られています。^[17]
• 2009年、構造比較により、PylRSはLUCAに由来する可能性があるが、メチルアミンをエネルギー源として利用する生物にのみ存在することが示唆されました。^[19]現在では、メタン生成菌以外の菌にもこの2つの遺伝子があることが知られていますが、その年代はそれほど間違っていませんでした。^[17]
• 2009年には、このシステムが水平遺伝子伝達によって細菌に移行した可能性があることが示唆されました。^[20] 2022年の研究に基づくと、これはおそらく真実ですが、論文では当初、メタン生成との関連が想定されていました。^[17]

tRNA(CUA) は、 M. barkeriクラス I およびクラス II リシル tRNA 合成酵素の協調作用によってin vitro でリジン でチャージされるが、これらの酵素はピロリシンを認識しない。tRNA(CUA) へのリジンのチャージは、もともと UAG アンバーコドンをピロリシンとして翻訳する最初のステップであると仮定されていたが、これはセレノシステインに使用されるメカニズムと類似している。最近のデータは、 pylS遺伝子のタンパク質産物によって tRNA(CUA) にピロリシンが直接チャージされることを支持しており、ピロリシン欠乏の際にリジンを代替アミノ酸として使用して UAG コドンを含むタンパク質を完全に翻訳できるように設計された並行経路に LysRS1:LysRS2 複合体が関与している可能性を示唆している。^[21]さらなる研究により、LysRS1とLysRS2をコードする遺伝子は、正常なメチルトランスフェラーゼレベルでのメタノールとメチルアミンでの正常な成長には必要ではなく、 UAGアンバー終止コドン抑制のための組換えシステムではpylSを置き換えることができないことが判明した。^[22]

• Atkins, JF; Gesteland, R (2002). 「22番目のアミノ酸」. Science . 296 (5572): 1409–1410. doi :10.1126/science.1073339. PMID  12029118. S2CID  82054110.
• Krzycki, JA (2005). 「ピロリシンの直接的な遺伝子エンコーディング」Current Opinion in Microbiology . 8 (6): 706–712. doi :10.1016/j.mib.2005.10.009. PMID  16256420.

• Yarnell, Amanda (2002 年 5 月 27 日)。「22 番目のアミノ酸が特定されました」。Chemical and Engineering News。80 ( 21): 13。doi : 10.1021 /cen-v080n021.p013。ISSN 0009-2347  。