Nehomologní isofunkční enzymy - Non-homologous isofunctional enzymes

Nehomologní izofunkční enzymy (NISE) jsou dva evolučně nesouvisející enzymy které katalyzují stejnou chemickou reakci. Enzymy, které katalyzují stejnou reakci, se někdy označují jako analogické, na rozdíl od homologních (Homologie (biologie) je však vhodnější je pojmenovat jako nehomologní izofunkční enzymy, proto zkratka (NISE).[1] Všechny tyto enzymy slouží stejné konečné funkci, ale dělají to v různých organismech bez detekovatelné podobnosti v primárních a případně terciárních strukturách.[2]

Pozadí

Enzymy jsou klasifikovány na základě doporučení Výbor pro nomenklaturu Mezinárodní unie pro biochemii a molekulární biologii a je jim přiděleno číslo provize enzymu, běžně označované jako číslo EC.[3] Každá odlišná enzymatická aktivita má doporučený název a číslo EC. Aby mohl být klasifikován jako odlišný enzym, „je vyžadován přímý experimentální důkaz, že navrhovaný enzym skutečně katalyzuje požadovanou reakci“ [4]

Dějiny

Příklady nesouvisejících enzymů s podobnými funkcemi byly zaznamenány již v roce 1943 Warburgem a Christianem (1943), kteří objevili dvě různé formy 1,6-bisfosfát aldolázy fruktózy, jedna se vyskytovala v kvasinkových buňkách a druhá se vyskytovala ve svalovině králíka.[5] V roce 1998 pod názvem Mariana Omelchenko et al Analogous Enzymes: Independent Inventions in Enzyme Evolution [5] identifikovali 105 EC čísel obsahujících dva nebo více proteinů bez vzájemně zjistitelné podobnosti sekvence. Z těchto 105 čísel EC bylo umístěno 34 EC uzlů se zřetelnými strukturálními záhyby, což pomáhá ukázat nezávislý evoluční původ.[1] V roce 2010 s názvem další článek Mariany Omelchenko a kol Nehomologní isofunkční enzymy: Systematická analýza alternativních řešení v evoluci enzymů[1] uvedli objev 185 odlišných EC uzlů pouze s 74 z původního seznamu z roku 1998, shrnuli jejich dvanáctileté hledání a dospěli k závěru, že NISE existují až pro 10% biochemických reakcí.

Počátky

Možným mechanismem pro tvorbu a vývoj těchto enzymů je nábor stávajících enzymů[6] které získávají nové funkce úpravou specificity substrátu (konkrétně v aktivním místě nebo v jeho blízkosti)[7]) nebo úprava stávajícího katalytického mechanismu.[5]

Důležitost

Objev NISE může odhalit nové mechanismy pro enzymovou katalýzu a specifické informace o biochemických drahách, které mohou být zvláště důležité pro vývoj léčiv.[3]

Příklady

Populárním příkladem NISE je Superoxid dismutáza skupina enzymů, která obsahuje tři odlišné formy (EC 1.15.1.1) [8]

  1. Fe, Mn superoxiddismutáza
  2. Cu, Zn superoxiddismutáza
  3. Superoxiddismutáza niklu

Jako první byla objevena superoxiddismutáza CuZn (SOD1) a je to homodimer obsahující měď a zinek, který se často nachází v intracelulárních cytoplazmatických prostorech.[8] FeMn (SOD2) je tetramer produkovaný vedoucím peptidem, který cílí na enzym obsahující mangan pouze v mitochondriálních prostorech.[8] Superoxid nikelnatý (SOD3) je naposledy charakterizován a existuje pouze v extracelulárních prostorech.[8]

Dalším populárním příkladem NISE jsou Celuláza rodina enzymů,[9] zejména 1,4-beta-celobiosidáza z celulózy, která rovněž sestává ze tří odlišných forem majících endonukleázovou aktivitu. (EC3.2.1.91).

  1. GH-48
  2. GH-7
  3. GH-6

Existují dvě třídy, jedna třída útočí na redukující konec celulózy a druhá na neredukující konec. Enzymy rodiny GH-6 útočí na neredukující konec celulózy, zatímco enzymy rodiny GH-7 útočí na redukující konec. Enzymy rodiny GH-48 jsou pouze enzymy bakteriální rodiny a útočí na redukující konec celulózy.

Mechanismy pro objevování

Typické metody sekvenování genomu, jako je VÝBUCH a Skrytý Markovův model se používají k nalezení nesrovnalostí a podobností v genomech.[3]

Reference

  1. ^ A b C Omelchenko, Marina V .; Galperin, Michael Y .; Vlk, Jurij I.; Koonin, Eugene V. (2010). „Nehomologní isofunkční enzymy: Systematická analýza alternativních řešení v evoluci enzymů“. Biology Direct. 5: 31. doi:10.1186/1745-6150-5-31. PMC  2876114. PMID  20433725.
  2. ^ Gomes, Monete Rajão; Guimarães, Ana Carolina Ramos; De Miranda, Antonio Basílio (2011). „Specifické a nehomologní izofunkční enzymy způsobů zpracování genetické informace jako potenciální terapeutické cíle pro tritrypy“. Enzymový výzkum. 2011: 1–8. doi:10.4061/2011/543912. PMC  3145330. PMID  21808726.
  3. ^ A b C Otto, Thomas D .; Guimaraes, Ana Carolina R .; Degrave, Wim M .; De Miranda, Antonio B. (2008). „AnEnPi: identifikace a anotace analogických enzymů“. BMC bioinformatika. 9: 544. doi:10.1186/1471-2105-9-544. PMC  2628392. PMID  19091081.
  4. ^ „Nomenklatura enzymů“. www.sbcs.qmul.ac.uk. Citováno 2017-12-01.
  5. ^ A b C Galperin, Michael Y .; Walker, D. Roland; Koonin, Eugene V. (1998). „Analogous Enzymes: Independent Inventions in Enzyme Evolution“. Výzkum genomu. 8 (8): 779–790. doi:10,1101 / gr. 8.779. PMID  9724324.
  6. ^ Foster, Jeremy M .; Davis, Paul J .; Raverdy, Sylvine; Sibley, Marion H .; Raleigh, Elisabeth A .; Kumar, Sanjay; Carlow, Clotilde K. S. (2010). „Vývoj bakteriálních fosfoglycerátových mutáz: nehomologní izofunkční enzymy podstupující ztráty, zisky a laterální transfery genů“. PLOS One. 5 (10): e13576. Bibcode:2010PLoSO ... 513576F. doi:10.1371 / journal.pone.0013576. PMC  2964296. PMID  21187861.
  7. ^ Galperin, Michael Y .; Koonin, Eugene V. (2012). „Divergence a konvergence ve vývoji enzymů“. Journal of Biological Chemistry. 287 (1): 21–28. doi:10.1074 / jbc.R111.241976. PMC  3249071. PMID  22069324.
  8. ^ A b C d Zelko, Igor N .; Mariani, Thomas J .; Folz, Rodney J. (2002). „Multigenová rodina superoxiddismutázy: srovnání genových struktur, evoluce a exprese genů CuZn-SOD (SOD1), Mn-SOD (SOD2) a EC-SOD (SOD3)“. Volná radikální biologie a medicína. 33 (3): 337–349. doi:10.1016 / S0891-5849 (02) 00905-X. PMID  12126755.
  9. ^ Sukharnikov, Leonid O .; Cantwell, Brian J .; Podar, Mircea; Zhulin, Igor B. (2011). „Cellulases: Ambiguous nonhomologous enzyms in a genomic perspective“. Trendy v biotechnologii. 29 (10): 473–479. doi:10.1016 / j.tibtech.2011.04.008. PMC  4313881. PMID  21683463.