Radikal SAM

Radical_SAM-
identifierare
Symbol	Radikal_SAM
Pfam	PF04055
InterPro	IPR007197
SCOP2	102114 / SCOPe / SUPFAM
Tillgängliga proteinstrukturer: Pfam   strukturer / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsumma struktur sammanfattning

Radikal SAM är en beteckning för en superfamilj av enzymer som använder ett [4Fe-4S] ^+- kluster för att reduktivt klyva S -adenosyl- L -metionin (SAM) för att generera en radikal , vanligtvis en 5'- deoxiadenosylradikal (5'-dAdo) ), som en kritisk mellanprodukt. Dessa enzymer använder denna radikala mellanprodukt för att utföra olika transformationer, ofta för att funktionalisera oaktiverade CH-bindningar. Radikala SAM-enzymer är involverade i kofaktorbiosyntes , enzymaktivering, peptidmodifiering , post-transkriptionella och posttranslationella modifieringar , metalloproteinklusterbildning , tRNA -modifiering, lipidmetabolism, biosyntes av antibiotika och naturliga produkter etc. De allra flesta kända radikala SAM-enzymer tillhör den radikala SAM-superfamiljen och har ett cysteinrikt motiv som matchar eller liknar CxxxCxxC. rSAMs utgör den största superfamiljen av metallinnehållande enzymer.

Historia och mekanism

Från och med 2001 har 645 unika radikala SAM-enzymer identifierats från 126 arter i livets alla tre domäner. Enligt EFI- och SFLD-databaserna förutspås mer än 220 000 radikala SAM-enzymer vara involverade i 85 typer av biokemiska transformationer.

Mekanismen för dessa reaktioner innebär överföring av en metyl- eller adenosylgrupp från svavel till järn. Det resulterande organojärnkomplexet frisätter därefter den organiska radikalen. Det senare steget påminner om beteendet hos adenosyl och metylkobalamin .

Nomenklatur

Alla enzymer inklusive radikal SAM-superfamilj följer en enkel riktlinje för systematisk namngivning. Systematisk namngivning av enzymer möjliggör en enhetlig namngivningsprocess som alla forskare känner igen för att förstå motsvarande funktion. Det första ordet i enzymnamnet visar ofta enzymets substrat . Placeringen av reaktionen på substratet kommer också att vara i början av namnet. Slutligen kommer klassen av enzymet att beskrivas i den andra hälften av namnet som kommer att sluta med suffixet -ase. Klassen av ett enzym kommer att beskriva vad enzymet gör eller förändras på substratet. Till exempel kombinerar ett ligas två molekyler för att bilda en ny bindning.

Överlagring av tre radikala SAM-kärndomäner. Sidovyer av radikala SAM-enzymer BioB ( PDB: 1R30 ), MoaA ( PDB: 1TV8 ) och phTYW1 ( PDB: 2YX0 ) visas fram och bak. Detta kärnveck består av sex β/α-motiv arrangerade på ett sätt som liknar TIM-fat och är ansvarigt för radikalgenerering. β-ark är färgade gula och α-helixar visas i cyan.

Reaktionsklassificering

Representativa enzymer kommer att nämnas för varje klass. Radikala SAM-enzymer och deras mekanismer kända före 2008 sammanfattas av Frey et al . Sedan 2015 finns ytterligare översiktsartiklar om radikala SAM-enzymer tillgängliga, inklusive:

1. Nya framsteg inom radikal SAM-enzymologi: nya strukturer och mekanismer:
2. Radikala S-adenosylmetionin-enzymer:
3. Radikal S-adenosylmetionin (SAM) enzymer i kofaktorbiosyntes: en skattkammare av komplexa organiska radikala omarrangeringsreaktioner:
4. Molekylära arkitekturer och funktioner hos radikalenzymer och deras (åter)aktiverande proteiner:

Kolmetylering

Radikala SAM -metylaser/metyltransferaser är en av de största men ändå olika undergrupperna och kan metylera ett brett spektrum av oreaktiva kol- och fosforcentra. Dessa enzymer är indelade i fyra klasser (klass A, B, C och D) med representativa metyleringsmekanismer. Det gemensamma kännetecknet för de tre huvudklasserna A, B och C är användningen av SAM, uppdelad i två distinkta roller: en som källa till en metylgruppdonator och den andra som källa till 5'-dAdo-radikal. Den nyligen dokumenterade klass D använder en annan metyleringsmekanism.

Klass A underfamilj

• Klass A-enzymer metylerar specifika adenosinrester på rRNA och/eller tRNA. Med andra ord är de RNA-basmodifierande radikala SAM-enzymer.
• De mest mekaniskt välkarakteriserade är enzymerna RlmN och Cfr. Båda enzymerna metylerar substrat genom att lägga till ett metylenfragment som härrör från SAM-molekylen. Därför betraktas RlmN och Cfr som metylsyntaser istället för metyltransferaser.

Klass B underfamilj

• Klass B-enzymer är de största och mest mångsidiga som kan metylera ett brett spektrum av kol- och fosforcentra.
• Dessa enzymer kräver en kobalamin ( vitamin B12 ) kofaktor som en mellanliggande metylgruppsbärare för att överföra en metylgrupp från SAM till substrat.
• Ett väl undersökt representativt enzym är TsrM som involverar tryptofanmetylering i tiostreptonbiosyntes .

Klass C underfamilj

• Klass C-enzymer rapporteras spela roller i biosyntesen av komplexa naturliga produkter och sekundära metaboliter. Dessa enzymer metylerar heteroaromatiska substrat och är kobalaminoberoende.
• Dessa enzymer innehåller både det radikala SAM-motivet och uppvisar slående sekvenslikhet med coproporhyrinogen III-oxidas (HemN), ett radikalt SAM-enzym involverat i hembiosyntes
• Nyligen har detaljerad mekanistisk undersökning av två viktiga klass C-radikal SAM-metylaser rapporterats:
  1. TbtI är involverat i biosyntesen av potent tiopeptidantibiotikum tiomuracin.
  2. Jaw5 föreslås vara ansvarig för cyklopropanmodifieringar .

Klass D underfamilj

• Klass D är den senast upptäckta och har visat sig inte använda SAM för metylering som skiljer sig från de tre klasserna som beskrivs ovan. Istället använder dessa enzymer metylentetrahydrofolat som metyldonator.
• Prototypen MJ0619 föreslås spela en roll i biosyntesen av kofaktorn metanopterin som krävs i metanogesen, en viktig metanproducerande väg som dominerande finns i den arkeiska domänen.

Metyltiolering av tRNA

Metytiotransferaser tillhör en undergrupp av radikala SAM-enzymer som innehåller två [4Fe-4S] ^+- kluster och en radikal SAM-domän. Metyltiotransferaser spelar en viktig roll för att katalysera metyltiolering på tRNA-nukleotider eller antikodoner genom en redoxmekanism. Tiolationsmodifiering tros bibehålla translationseffektivitet och trohet.

MiaB och RimO är både välkarakteriserade och bakteriella prototyper för tRNA-modifierande metyltiotransferaser

• MiaB introducerar en metyltiogrupp till de isopentenylerade A37-derivaten i tRNA från S. Typhimurium och E. coli genom att använda en SAM-molekyl för att generera 5'-dAdo-radikal för att aktivera substratet och en andra SAM för att donera en svavelatom till substratet.
• RimO är ansvarig för posttranslationell modifiering av Asp88 av det ribosomala proteinet S12 i E. coli . En nyligen fastställd kristallstruktur kastar ljus över den mekanistiska verkan av RimO. Enzymet katalyserar pentasulfidbryggbildning som länkar samman två Fe-S-kluster för att möjliggöra svavelinförande i substratet.

eMtaB är det betecknade metyltiotransferaset i eukaryota och arkeala celler. eMtaB katalyserar metyltioleringen av tRNA vid position 37 på N6-treonylkarbamoyladenosin. En bakteriell homolog av eMtaB, YqeV har rapporterats och föreslagits fungera på samma sätt som MiaB och RimO.

Svavelinsättning i oreaktiva CH-bindningar

Svaveltransferaser är en liten undergrupp av radikala SAM-enzymer. Två välkända exempel är BioB och LipA som är oberoende ansvariga för biotinsyntes respektive liponsyrametabolism.

• BioB eller biotinsyntas är ett radikalt SAM-enzym som använder ett [4Fe-4S]-center för att tiolera detiobitin, vilket omvandlar det till biotin eller även känt som vitamin B7. Vitamin B7 är en kofaktor som används i karboxylerings- , dekarboxylerings- och transkarboxyleringsreaktioner i många organismer.
• LipA ​​eller lipoylsyntas är radikal SAM-svaveltransferas som använder två [4Fe-4S]-kluster för att katalysera det sista steget i liponsyrabiosyntesen.

Kolinföring

Nitrogenas är ett metallozym med väsentlig funktion i den biologiska kvävefixeringsreaktionen . M-klustret ([MoFe ₇ S ₉ C-homocitrat]) och P-klustret ([Fe ₈ S ₇ ]) är mycket unika metallkluster som finns i nitrogenas. Det bäst studerade nitrogenaset som är aktuellt är Mo nitrogenas med M-kluster och P-kluster som har viktiga roller i substratreduktion. Det aktiva stället för Mo nitrogenas är M-klustret, ett metall-svavelkluster som innehåller en karbid i sin kärna. Inom biosyntesen av M-kluster har radikalt SAM-enzym NifB visat sig katalysera en kolinsättningsreaktion, vilket leder till bildning av en Mo/homocitratfri prekursor till M-kluster.

Anaerob oxidativ dekarboxylering

• Ett väl studerat exempel är HemN. HemN eller anaerobt coproporfyrinogen III-oxidas är ett radikalt SAM-enzym som katalyserar den oxidativa dekarboxyleringen av coproporfyrinogen III till protoporhyrinogen IX, en viktig mellanprodukt i hembiosyntes. En nyligen publicerad studie visar bevis som stöder HemN använder två SAM-molekyler för att förmedla radikalmedierad väteöverföring för sekventiell dekarboxylering av de två propionatgrupperna av coproporfyrinogen III.
• Hypertermofil sulfatreducerande archaen Archaeoglobus fulgidus har nyligen rapporterats möjliggöra anaerob oxidation av långkedjiga n -alkaner. PflD rapporteras vara ansvarig för förmågan hos A. fulgidus att växa på ett brett spektrum av omättade kol och fettsyror. En detaljerad biokemisk och mekanistisk karakterisering av PflD pågår fortfarande men preliminära data tyder på att PflD kan vara ett radikalt SAM-enzym.

Protein post-translationell modifiering

• Formylglycinberoende sulfataser kräver den kritiska post-translationella modifieringen av ett aktivt ställe av cystein eller serinrest till en Ca-formylglycin. Ett radikalt SAM-enzym som kallas anSME katalyserar denna posttranslationella modifiering på ett syreoberoende sätt.

Proteinradikalbildning

Glycylradikal enzymaktiverande enzymer (GRE-AE) är radikal SAM-undergrupp som kan inrymma en stabil och katalytiskt essentiell glycylradikal i sitt aktiva tillstånd. Den underliggande kemin anses vara den enklaste i den radikala SAM-superfamiljen med H-atomabstraktion genom att 5'-dAdo-radikalen är produkten av reaktionen. Några exempel inkluderar:

• Pyruvatformiat-lyasaktiverande enzym (PFL-AE) katalyserar aktiveringen av PFL, ett centralt enzym i anaerob glukosmetabolism i mikrober.
• Bensylsuccinatsyntas (BSS) är ett centralt enzym i anaerob toluenkatabolism .

Peptidmodifieringar

Radikala SAM-enzymer som kan katalysera svavel-till-alfa-kol tioeter tvärbundna peptider (sactipeptider) är viktiga för att generera en viktig klass av peptider med betydande antibakteriella egenskaper. Dessa peptider tillhör den framväxande klassen av ribosomalt syntetiserade och post-translationellt modifierade peptider ( RiPPs).

En annan viktig undergrupp av peptidmodifierande radikal SAM-enzymer är SPASM/Twitch-domänbärande enzymer. SPASM/Twitch-enzymer bär en funktionaliserad C-terminal förlängning för bindning av två [4Fe-4S]-kluster, särskilt viktigt vid posttranslationella modifieringar av peptider.

Följande exempel är representativa enzymer som kan katalysera peptidmodifieringar för att generera specifika naturliga produkter eller kofaktorer.

1. TsrM i tiostreptonbiosyntes
2. PoyD och PoyC i polyteonamidbiosyntes
3. TbtI i biosyntesen av tiomuracin
4. NosN i nosiheptidbiosyntes
5. YydG i epipeptidbiosyntes
6. MoaA i molybdopterinbiosyntes
7. PqqE i pyrrolokinolinkinonbiosyntes
8. TunB i tunikamycinbiosyntes
9. OxsB i oxetanocinbiosyntes
10. BchE i anaerob bakterioklorofyllbiosyntes
11. F0-syntaser i F420-kofaktorbiosyntes
12. MqnE och MqnC i menakinonbiosyntes
13. QhpD i post-translationell bearbetning av kinohemoprotein-amindehydrogenas
14. RumMC2 i ruminococcin C-biosyntes

Epimerisering

Radikala SAM- epimeraser är ansvariga för det regioselektiva införandet av D-aminosyror i RiPPs. Två välkända enzymer har beskrivits grundligt i RiPP biosyntetiska vägar.

Två välkända enzymer har beskrivits grundligt i RiPP biosyntetiska vägar.

• PoyD installerar många D-stereocenter i enzymet PoyA för att i slutändan hjälpa till att underlätta polyteonamidbiosyntesen. Polyteoamid är ett naturligt potent cytotoxiskt medel genom att bilda porer i membran. Detta peptid cytotoxin produceras naturligt av oodlade bakterier som existerar som symbionter i en marin svamp.
• YydG-epimeras modifierar två aminosyrapositioner på YydF i grampositiva Bacillus subtilis . En nyligen genomförd studie har rapporterat att ytterst tillsatt YydF förmedlar efterföljande försvinnande av membranpotential via membranpermeabilisering, vilket resulterar i organismens död.

Komplexa kolskelettomläggningar

En annan undergrupp av radikal SAM-superfamilj har visat sig katalysera omarrangemang av kolskelett, särskilt inom områdena DNA-reparation och kofaktorbiosyntes.

• DNA- sporfotoproduktlysas (SPL) är en radikal SAM som kan reparera DNA- tymindimerer (sporprodukt, SP) orsakad av UV-strålning. Trots kvarstående okända och kontroverser som involverar SPL-katalyserad reaktion, är det säkert att SPL använder SAM som en kofaktor för att generera 5'-dAdo-radikal för att återställa SP till två tyminrester.
• HydG är en radikal SAM som ansvarar för att generera CO- och CN ^- ligander i [Fe-Fe]-hydrogenaset (HydA) i olika anaeroba bakterier.
• Radikal SAM MoaA och MoaC är involverade i att omvandla GTP till cykliskt pyranopterinmonofosfat (cPMP). Sammantaget spelar båda viktiga roller i molybdopterinbiosyntes .

Andra reaktioner

• En nyligen genomförd studie har rapporterat ett nytt radikalt SAM-enzym med inneboende lyasaktivitet som kan katalysera lysinöverföringsreaktionen och generera arkaeaspecifika arkaosininnehållande tRNA.
• Viperin är ett interferon-stimulerat radikal SAM-enzym som omvandlar CTP till ddhCTP (3ʹ-deoxi-3',4ʹdidehydro-CTP), som är en kedjeterminator för virala RdRps och därför en naturlig antiviral förening.

Kliniska överväganden

• Brist på humant tRNA metyltiotransferas eMtaB har visat sig vara ansvarigt för onormal insulinsyntes och predisposition för typ 2-diabetes .
• Mutationer i humant GTP-cyklas MoaA har rapporterats leda till brist på molybdenkofaktor, en vanligen dödlig sjukdom åtföljd av allvarliga neurologiska symtom.
• Mutationer i humant wybutosin -tRNA-modifierande enzym Tyw1 främjar retrovirusinfektion .
• Förändringar i humant tRNA-modifierande enzym Elp3 resulterar i progression till amyotrofisk lateralskleros (ALS).
• Mutationer i humant antiviralt RSAD1 har visat sig vara associerat med medfödd hjärtsjukdom.
• Mutationer i humant svaveltransferas LipA har varit inblandat i glycinencefalopati , pyruvatdehydrogenas och lipoinsyrasyntetasbrist.
• Mutationer i humant metyltiotransferas MiaB är relaterade till nedsatt hjärt- och andningsfunktion.

Terapeutiska tillämpningar

Mikrober har använts i stor utsträckning för upptäckten av nya antibiotika. Emellertid har en växande allmän oro för multi-läkemedelsresistenta patogener dykt upp under de senaste decennierna. Således är nyutvecklade eller nya antibiotika efterfrågade. Ribosomalt syntetiserade och post-translationellt modifierade peptider (RiPP) får mer uppmärksamhet som en nyare och större grupp av antibiotika tack vare att de har ett mycket smalt aktivitetsspektrum, vilket kan gynna patienterna, eftersom deras biverkningar kommer att vara mindre än det breda spektrumet. antibiotika. Nedan följer några exempel på radikala SAM-enzymer som har visat sig vara lovande mål för antibiotika- och antiviral utveckling.

• Hämning av radikalt SAM-enzym MnqE i menaokinonbiosyntes har rapporterats vara en effektiv antibakteriell strategi mot H. pylori .
• Radikal SAM-enzym BlsE har nyligen upptäckts vara ett centralt enzym i blasticidin S biosyntesväg. Blasticidin S producerat av Streptomyces griseochromogenes uppvisar stark hämmande aktivitet mot risblast orsakad av Pyricularia oryzae Cavara. Denna förening hämmar specifikt proteinsyntes i både prokaryoter och eukaryoter genom hämning av peptidbindningsbildning i ribosommaskineriet.
• Ett nytt svampradikal SAM-enzym har också nyligen rapporterats för att underlätta de biokatalytiska vägarna för syntes av 3'-deoxinukleotider/nukleosider. 3'-deoxinukleotider är en viktig klass av läkemedel eftersom de stör metabolismen av nukleotider, och deras inkorporering i DNA eller RNA avslutar celldelning och replikation. Denna aktivitet förklarar varför denna förening är en viktig grupp av antivirala, antibakteriella eller anticancerläkemedel.

Exempel

Exempel på radikala SAM-enzymer som finns inom den radikala SAM-superfamiljen inkluderar:

• AblA - lysin 2,3-aminomutas ( osmolytbiosyntes - N-epsilon-acetyl-beta-lysin)
• AlbA - subtilosin maturas (peptidmodifiering)
• AtsB - anaerobt sulfatasaktivering (enzymaktivering)
• BchE - anaerobt magnesiumprotoporfyrin-IX oxidativt cyklas (kofaktorbiosyntes - klorofyll )
• BioB - biotinsyntas (kofaktorbiosyntes - biotin )
• BlsE - cytosylglukuronsyradekarboxylas - blasticidin S biosyntes
• BtrN - butirosin biosyntesväg oxidoreduktas ( biosyntes av aminoglykosid antibiotika)
• BzaF - 5-hydroxibensimidazol (5-HBI) syntes (koboltbindande ligand av kobalamin)
• Cfr - 23S rRNA (adenin(2503)-C(8))-metyltransferas - rRNA modifiering för antibiotikaresistens
• CofG - FO-syntas, CofG-subenhet (kofaktorbiosyntes - F420 )
• CofH - FO-syntas, CofH-subenhet (kofaktorbiosyntes - F420)
• CutD - trimetylaminlyasaktiverande enzym
• DarE - darobactin maturase
• DesII - D-desosaminbiosyntesdeaminas (sockermodifiering för biosyntes av makrolidantibiotika )
• EpmB - förlängningsfaktor P beta-lysyleringsprotein (proteinmodifiering)
• HemN - syreoberoende coproporfyrinogen III-oxidas (kofaktorbiosyntes - hem )
• HmdB - 5,10-metenyltetrahydrometanopterinhydrogenas-kofaktor biosyntesprotein HmdB (notera ovanligt CX5CX2C-motiv)
• HpnR - Hopanoid C-3 metylas (lipidbiosyntes - 3-metylhopanoid produktion)
• HydE - [FeFe] hydrogenas H-klusterradikal SAM maturase (metalloklusteraggregat)
• HydG - [FeFe] hydrogenas H-klusterradikal SAM maturase (metalloklusteraggregat)
• LipA ​​- lipoylsyntas (kofaktorbiosyntes - lipoyl)
• MftC - mycofactocin system maturase (peptidmodifiering/kofaktorbiosyntes - förutspått)
• MiaB - tRNA-metyltiotransferas ( tRNA- modifiering)
• MoaA - GTP 3',8-cyklas (kofaktorbiosyntes - molybdopterin )
• MqnC - dehypoxantinfutalosincyklas (kofaktorbiosyntes - menakinon via futalosin)
• MqnE - aminofutalosinsyntas (kofaktorbiosyntes - menakinon via futalosin)
• NifB - kofaktorbiosyntesprotein NifB (kofaktorbiosyntes - FeMo-kofaktor)
• NirJ - heme d1 biosyntesradikal SAM protein NirJ (kofaktor biosyntes - hem d1)
• NosL - komplex omarrangering av tryptofan till 3-metyl-2-indolsyra - nosiheptid biosyntes
• NrdG - anaerob ribonukleosid-trifosfatreduktasaktivering (enzymaktivering)
• PflA - pyruvatformiat-lyasaktiverande enzym (enzymaktivering)
• PhpK - radikal SAM P-metyltransferas - antibiotikabiosyntes
• PqqE - PQQ biosyntesenzym (peptidmodifiering / kofaktorbiosyntes - PQQ )
• PylB- metylornitinsyntas , pyrrolysinbiosyntesprotein PylB (aminosyrabiosyntes- pyrrolysin )
• QhpD (PeaB) - kinohemoprotein amine dehydrogenas mognadsprotein (enzymaktivering)
• QueE - 7-karboxi-7-deazaguanin (CDG) syntas
• RimO - ribosomalt protein S12 metyltiotransferas
• RlmN - 23S rRNA (adenin(2503)-C(2))-metyltransferas ( rRNA -modifiering)
• ScfB - SCIFF maturas (peptidmodifiering genom bildning av tioeter-tvärbindning)
• SkfB - sporulationsdödande faktor maturas
• SplB - spor fotoprodukt lyas ( DNA reparation )
• ThiC - 4-amino-5-hydroximetyl-2-metylpyrimidinfosfat (HMP-P) biosyntes (kofaktorbiosyntes - tiamin)
• TiH-tiazolfosfatbiosyntes (kofaktorbiosyntes - tiamin )
• TrnC - turicinbiosyntes
• TrnD - turicinbiosyntes
• TsrT - tryptofan 2-C-metyltransferas (aminosyramodifiering - antibiotikabiosyntes)
• TYW1 - 4-demetylwyosinsyntas ( tRNA- modifiering)
• YqeV - tRNA-metyltiotransferas ( tRNA- modifiering)

Icke-kanonisk

Dessutom har flera icke-kanoniska radikala SAM-enzymer beskrivits. Dessa kan inte kännas igen av Pfams dolda Markov-modell PF04055, men använder fortfarande tre Cys-rester som ligander till ett 4Fe4S-kluster och producerar en radikal från S-adenosylmetionin. Dessa inkluderar

• ThiC (PF01964) - tiaminbiosyntesprotein ThiC (kofaktorbiosyntes - tiamin) (Cys-rester nära den extrema C-terminalen)
• Dph2 (PF01866) - diftamidbiosyntesenzym Dph2 (proteinmodifiering - diftamid i translationsförlängningsfaktor 2) (notera olika radikalproduktion, en 3-amino-3-karboxipropylradikal)
• PhnJ (PF06007) - fosfonatmetabolismprotein PhnJ (CP fosfonatbindningsklyvning )

externa länkar

• Structure Function Linkage Database (SFLD) Lista över reaktioner