ラジカルSAM酵素

ラジカルSAM酵素
識別子
シンボルラジカルSAM
ファムPF04055
インタープロIPR007197
SCOP2102114 /スコープ/サフファム
利用可能なタンパク質構造:
PDB  IPR007197 PF04055 ( ECOD ; PDBsum )  
アルファフォールド

ラジカル SAM 酵素は、鉄硫黄クラスター( 4Fe-4S )を使用してS -アデノシル- L -メチオニン(SAM)を還元的に切断し、ラジカル (通常は 5'-デオキシアデノシルラジカル(5'-dAdo)) を重要な中間体として生成する酵素のスーパーファミリーに属します。[ 1 ] [ 2 ]これらの酵素はこのラジカル中間体[ 3 ]を使用してさまざまな変換を実行し、多くの場合、不活性化された CH 結合を官能基化します。ラジカル SAM 酵素は、補因子生合成、酵素活性化、ペプチド修飾、転写後および翻訳後修飾、金属タンパク質クラスター形成、tRNA修飾、脂質代謝、抗生物質および天然物の生合成などに関与しています。既知のラジカル SAM 酵素の大部分はラジカル SAM スーパーファミリーに属し、[ 4 ] [ 5ラジカルSAM酵素は金属含有酵素の中で最大のスーパーファミリーを構成します。[ 6 ]

歴史とメカニズム

2001年現在、生命の3つのドメイン全体で126種から645のユニークなラジカルSAM酵素が同定されています。[ 4 ] EFIおよびSFLDデータベースによると、22万以上のラジカルSAM酵素が85種類の生化学的変換に関与していると予測されています。[ 7 ]

これらの反応の機構は、硫黄から鉄へのメチル基またはアデノシル基の転移を伴う。得られた有機鉄錯体はその後、有機ラジカルを放出する。この反応の段階は、アデノシルコバラミンおよびメチルコバラミンの挙動を彷彿とさせる。[ 8 ]

命名法

ラジカルSAM酵素を含むすべての酵素は、体系的な命名のための簡単なガイドラインに従っています。酵素の体系的な命名により、すべての科学者が対応する機能を理解するための統一された命名プロセスが可能になります。酵素名の最初の単語は、多くの場合、酵素の基質を示します。基質上の反応の位置も、名前の冒頭部分に含まれます。最後に、酵素のクラスは、接尾辞-aseで終わる名前の残りの部分で説明されます。酵素のクラスは、酵素が基質に対して何をしているか、または何を変化させているかを説明します。例えば、リガーゼは2つの分子を結合して新しい結合を形成します。[ 9 ]

3つのラジカルSAMコアドメインの重ね合わせ。ラジカルSAM酵素BioB（PDB: 1R30）、MoaA（PDB: 1TV8）、phTYW1（PDB: 2YX0 ）の側面図を前面と背面から示している。このコアフォールドは、TIMバレルに類似した配置の6つのβ/αモチーフで構成され、ラジカル生成を担っている。[ 10 ] βシートは黄色、αヘリックスはシアン色で示されている。

反応分類

各クラスの代表的な酵素について述べる。2008年以前に知られていたラジカルSAM酵素とそのメカニズムは、Freyら[ 5 ]によって要約されている。2015年以降、ラジカルSAM酵素に関する追加のレビュー記事が公開されており、その中には以下が含まれる。

  1. ラジカルSAM酵素学の進歩：新しい構造とメカニズム：[ 11 ]
  2. ラジカルS-アデノシルメチオニン酵素: [ 1 ]
  3. 補酵素生合成におけるラジカルS-アデノシルメチオニン（SAM）酵素：複雑な有機ラジカル転位反応の宝庫：[ 12 ]
  4. ラジカル酵素とその（再）活性化タンパク質の分子構造と機能：[ 13 ]
  5. RiPP生合成におけるラジカルSAM酵素。[ 14 ]
  6. ビタミンB12（コバラミン）結合ドメインを持つラジカルSAM酵素。[ 15 ]

炭素メチル化

ラジカルSAMメチラーゼ／メチルトランスフェラーゼは、最大規模でありながら多様なサブグループの一つであり、広範囲の非反応性炭素およびリン中心をメチル化することができる。これらの酵素は、代表的なメチル化機構に基づいて3つのクラス（クラスA、B、C）に分類される。共通の特徴はSAMの利用であり、SAMは2つの異なる役割に分かれている。1つはメチル基供与体の供給源として、もう1つは5'-dAdoラジカルの供給源としてである。[ 16 ] [ 17 ]別のクラス（クラスD）が提案されたが、誤って割り当てられたことが判明した。[ 18 ]

クラスAサブファミリー

  • クラスA酵素はrRNAおよび/またはtRNA上の特定のアデノシン残基をメチル化する。 [ 19 ] [ 20 ]言い換えれば、これらはRNA塩基修飾ラジカルSAM酵素である。
  • 最もよく機構が解明されている酵素はRlmNとCfrである。どちらの酵素も、SAM分子に由来するメチレンフラグメントを基質に付加することでメチル化する。[ 17 ] [ 21 ]そのため、RlmNとCfrはメチルトランスフェラーゼではなくメチルシンターゼと考えられている。
B 12依存性ラジカルSAM酵素の構造（PDB: 7QBS）

クラスBサブファミリー

クラスCサブファミリー

tRNAのメチルチオレーション

メチルチオトランスフェラーゼは、2つの[4Fe-4S] +クラスターと1つのラジカルSAMドメインを含むラジカルSAM酵素のサブセットに属します。メチルチオトランスフェラーゼは、酸化還元機構を介してtRNAヌクレオチドまたはアンチコドンのメチルチオレーションを触媒する主要な役割を果たします。チオレーション修飾は、翻訳効率と忠実性を維持すると考えられています。[ 11 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

MiaBとRimOはどちらもtRNA修飾メチルチオトランスフェラーゼのよく特徴付けられた細菌のプロトタイプである。

  • MiaBは、 1つのSAM分子を利用して5'-dAdoラジカルを生成し基質を活性化し、2つ目のSAMを利用して基質に硫黄原子を供与することにより、 S. TyphimuriumとE. coliのtRNA中のイソペンテニル化されたA37誘導体にメチルチオ基を導入する。[ 29 ] [ 30 ]
  • RimOは、大腸菌のリボソームタンパク質S12のAsp88の翻訳後修飾を担う。[ 31 ] [ 32 ]結晶構造はRimOの作用機序を明らかにしている。この酵素は、2つのFe-Sクラスターを連結する五硫化物架橋の形成を触媒し、基質への硫黄挿入を可能にする。[ 33 ]

eMtaBは真核細胞と古細菌細胞におけるメチルチオトランスフェラーゼとして知られています。eMtaBはtRNAのN6-スレオニルカルバモイルアデノシンの37番目の位置でのメチルチオ化を触媒します。[ 34 ] eMtaBの細菌相同遺伝子であるYqeVは、MiaBやRimOと同様の機能を持つことが報告されています。[ 34 ]

非反応性CH結合への硫黄挿入

硫黄転移酵素はラジカルSAM酵素の小さなサブセットです。よく知られている例としては、それぞれビオチン合成とリポ酸代謝を独立して担うBioBとLipAがあります。[ 1 ]

炭素挿入

Moニトロゲナーゼの活性部位は、炭化物を核とする金属硫黄クラスターであるMクラスターである。Mクラスターの生合成過程において、ラジカルSAM酵素NifBが炭素挿入反応を触媒し、Mo/ホモクエン酸を含まないMクラスターの前駆体を形成することが知られている。[ 35 ]

嫌気性酸化脱炭酸

  • よく研究されている例としてHemNが挙げられます。HemN、すなわち嫌気性コプロポルフィリノーゲンIII酸化酵素は、コプロポルフィリノーゲンIIIからヘム生合成中間体であるプロトポルフィリノーゲンIXへの酸化的脱炭酸を触媒するラジカルSAM酵素です。HemNは2つのSAM分子を用いてラジカルを介した水素移動を媒介し、コプロポルフィリノーゲンIIIの2つのプロピオン酸基を順次脱炭酸するという考えを支持する証拠があります。[ 36 ]
  • 超好熱性硫酸還元古細菌アーキオグロバス・フルギドゥスは、長鎖n-アルカンの嫌気的酸化を可能にする。 [ 37 ] PflDは、 A. fulgidusが幅広い不飽和炭素および脂肪酸上で生育する能力に関与していると報告されている。PflDの詳細な生化学的および機構的特徴づけは現在も進行中であるが、予備的なデータから、PflDはラジカルSAM酵素である可能性が示唆されている。

タンパク質の翻訳後修飾

タンパク質ラジカルの形成

グリシルラジカル酵素活性化酵素（GRE-AE）は、活性状態で安定かつ触媒的に必須のグリシルラジカルを内包するラジカルSAMのサブセットです。その基礎となる化学反応は、ラジカルSAMスーパーファミリーの中で最も単純であり、5'-dAdoラジカルによる水素原子引き抜き反応生成物であると考えられています。[ 1 ]例としては、以下のものが挙げられます。

ペプチド修飾

硫黄からα炭素へのチオエーテル架橋ペプチド（サクチペプチド）を触媒できるラジカルSAM酵素は、抗菌作用を持つペプチドのクラスを生成します。[ 44 ] [ 45 ]これらのペプチドは、リボソーム合成および翻訳後修飾ペプチド（RiPP） という新興クラスに属します。[ 7 ]

ペプチド修飾ラジカルSAM酵素のもう一つのサブセットは、SPASM/Twitchドメインを有する酵素である。SPASM/Twitch酵素は、特にペプチドの翻訳後修飾において、2つの[4Fe-4S]クラスターを結合するための機能化されたC末端延長部を有する。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 7 ]

以下の例は、ペプチド修飾を触媒して特定の天然物または補因子を生成できる代表的な酵素です。

  1. チオストレプトン生合成におけるTsrM [ 49 ] [ 50 ]
  2. ポリテオナミド生合成におけるPoyD [ 51 ]とPoyC [ 52 ]
  3. チオムラシン生合成におけるTbtI [ 23 ]
  4. ノシヘプチド生合成におけるNosN [ 53 ]
  5. エピペプチド生合成におけるEpeE（以前はYydGと呼ばれていました）[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]
  6. モリブドプテリン生合成におけるMoaA [ 53 ] [ 12 ]
  7. ピロロキノリンキノン生合成におけるPqqE [ 53 ]
  8. ツニカマイシン生合成におけるTunB [ 53 ]
  9. オキセタノシン生合成におけるOxsB [ 53 ]
  10. 嫌気性バクテリオクロロフィル生合成におけるBchE [ 53 ]
  11. F420補因子生合成におけるF0合成酵素[ 57 ] [ 58 ]
  12. メナキノン生合成におけるMqnEとMqnC [ 53 ] [ 12 ]
  13. キノヘモプロテインアミン脱水素酵素の翻訳後プロセシングにおけるQhpD [ 59 ]
  14. ルミノコッシンC生合成におけるRumMC2 [ 44 ] [ 60 ]

エピマー化

ラジカルSAMエピメラーゼは、 D-アミノ酸をRiPPに位置選択的に導入する役割を担っています。 [ 55 ] RiPPの生合成経路については、2つのよく知られた酵素が詳細に説明されています。[ 7 ]ラジカルSAMペプチドエピメラーゼは、 RiPPとの相互作用に特有の特徴に加えて、重要なシステイン残基を利用してエピマー化された残基に水素原子を戻します。[ 56 ]

RiPP生合成経路においては、2つのよく知られた酵素が詳細に説明されている。[ 7 ]

  • PoyDは酵素PoyAに多数のD立体中心を設置し、最終的にポリテオナミドの生合成を促進します。[ 51 ]ポリテオアミドは膜に孔を形成することで天然の強力な細胞毒性物質となります。[ 61 ]このペプチド細胞毒素は、海綿動物に共生する培養されていない細菌によって自然に生産されます。[ 62 ]
  • YydG（EpeE）エピメラーゼは、グラム陽性菌枯草菌のYydF上の2つのアミノ酸位置を修飾する。[ 7 ] [ 55 ] [ 56 ]外因的に添加されたYydFは、膜透過性を介して膜電位の消散を媒介し、結果として生物を死滅させる。[ 54 ]この酵素の構造は、RiPP修飾酵素の中でも独特であることが証明されている。[ 56 ]

複雑な炭素骨格の再配置

ラジカル SAM スーパーファミリーの別のサブセットは、特に DNA 修復と補因子生合成の領域で炭素骨格の再配置を触媒することが示されています。

その他の反応

  • 固有のリアーゼ活性を持つラジカルSAM酵素はリジン転移反応を触媒し、古細菌特異的なアーキオシン含有tRNAを生成することができる。[ 68 ]
  • ヴァイペリンはインターフェロン刺激ラジカルSAM酵素であり、CTPをddhCTP（3'-デオキシ-3',4'ジデヒドロ-CTP）に変換する。ddhCTPはウイルスRdRpの連鎖終結因子であり、したがって天然の抗ウイルス化合物である。[ 69 ]

臨床上の考慮事項

治療への応用

以下は抗生物質や抗ウイルス剤の開発における有望なターゲットであることが示されているラジカルSAM酵素のいくつかの例です。[ 73 ] [ 74 ]

  • メナキノン生合成におけるラジカルSAM酵素MqnEの阻害は、H. pyloriに対する効果的な抗菌戦略であると報告されている。[ 75 ]
  • ラジカルSAM酵素BlsEは、ブラストサイジンS生合成経路の中心酵素であることが発見されました。ストレプトマイセス・グリセオクロモゲネスによって産生されるブラストサイジンSは、イネいもち病菌（Pyricularia oryzae Cavara）によって引き起こされるイネいもち病に対して強力な阻害活性を示します。この化合物は、リボソーム機構におけるペプチド結合形成を阻害することにより、原核生物および真核生物の両方においてタンパク質合成を特異的に阻害します。[ 76 ]
  • 真菌由来の新規ラジカルSAM酵素が、3'-デオキシヌクレオチド／ヌクレオシドの合成のための生体触媒経路を促進することも報告されている。3'-デオキシヌクレオチドはヌクレオチドの代謝を阻害する薬剤の一種であり、DNAまたはRNAに取り込まれると細胞分裂と複製が停止する。この活性は、この化合物が抗ウイルス薬、抗菌薬、または抗がん剤の必須化合物群である理由を説明できる。[ 77 ]

例

ラジカル SAM スーパーファミリー内に含まれるラジカル SAM 酵素の例には次のものがあります。

  • AblA -リジン2,3-アミノムターゼ（浸透圧調節物質生合成 - N-ε-アセチル-β-リジン）
  • AlbA - サブチロシンマチュラーゼ（ペプチド修飾）
  • AtsB - 嫌気性スルファターゼアクチバーゼ（酵素活性化）
  • BchE - 嫌気性マグネシウムプロトポルフィリン-IX酸化シクラーゼ（補因子生合成 -クロロフィル）
  • BioB -ビオチン合成酵素（補因子生合成 -ビオチン）
  • BlsE - シトシルグルクロン酸脱炭酸酵素 -ブラストサイジンS生合成
  • BtrN - ブチロシン生合成経路酸化還元酵素（アミノグリコシド系抗生物質生合成）
  • BzaF - 5-ヒドロキシベンズイミダゾール（5-HBI）の合成（コバラミンのコバルト結合リガンド）
  • Cfr - 23S rRNA（アデニン(2503)-C(8)）メチルトランスフェラーゼ -抗生物質耐性のためのrRNA修飾
  • CofG - FO シンターゼ、CofG サブユニット (補因子生合成 - F420 )
  • CofH - FO合成酵素、CofHサブユニット（補因子生合成 - F420）
  • CutD - トリメチルアミンリアーゼ活性化酵素
  • DarE -ダロバクチン成熟酵素
  • DesII - D-デソサミン生合成デアミナーゼ（マクロライド系抗生物質生合成のための糖修飾）
  • EpeE - エピペプチド（RiPP）の生合成
  • EpmB - 伸長因子Pβリシル化タンパク質（タンパク質修飾）
  • HemN - 酸素非依存性コプロポルフィリノーゲンIII酸化酵素（補因子生合成 -ヘム）
  • HmdB - 5,10-メテニルテトラヒドロメタノプテリンヒドロゲナーゼ補因子生合成タンパク質HmdB（珍しいCX5CX2Cモチーフに注意）
  • HpnR - ホパノイド C-3 メチラーゼ（脂質生合成 - 3-メチルホパノイド産生）
  • HydE - [FeFe]ヒドロゲナーゼHクラスターラジカル SAM 成熟酵素（金属クラスターアセンブリ）
  • HydG - [FeFe] ヒドロゲナーゼ Hクラスターラジカル SAM 成熟酵素（金属クラスターアセンブリ）
  • LipA - リポイルシンターゼ（補因子生合成 - リポイル）
  • MftC -マイコファクトシン系成熟酵素（ペプチド修飾/補因子生合成 - 予測）
  • MiaB - tRNAメチルチオトランスフェラーゼ（tRNA修飾）
  • Mmp10 - メチルコエンザイムM還元酵素（MCR）の翻訳後修飾
  • MoaA - GTP 3',8-シクラーゼ（補因子生合成 -モリブドプテリン）
  • MqnC - 脱ヒポキサンチンフタロシンシクラーゼ（補因子生合成 -フタロシン経由のメナキノン）
  • MqnE - アミノフタロシン合成酵素（補因子生合成 - フタロシン経由のメナキノン）
  • NifB - 補因子生合成タンパク質 NifB (補因子生合成 - FeMo 補因子)
  • NirJ - ヘム d1 生合成ラジカル SAM タンパク質 NirJ (補因子生合成 - ヘム d1)
  • NosL - トリプトファンから3-メチル-2-インドール酸への複合転位 -ノシヘペプチド生合成[ 78 ]
  • NrdG - 嫌気性リボヌクレオシド三リン酸還元酵素活性化酵素（酵素活性化）
  • PflA - ピルビン酸ギ酸リアーゼ活性化酵素（酵素活性化）
  • PhpK - ラジカルSAM P-メチルトランスフェラーゼ - 抗生物質生合成
  • PqqE - PQQ生合成酵素（ペプチド修飾/補因子生合成 - PQQ）
  • PylB -メチルオルニチン合成酵素、ピロリシン生合成タンパク質 PylB (アミノ酸生合成 -ピロリシン)
  • QhpD（PeaB） - キノヘモタンパク質アミン脱水素酵素成熟タンパク質（酵素活性化）
  • QueE - 7-カルボキシ-7-デアザグアニン（CDG）合成酵素
  • RimO - リボソームタンパク質S12メチルチオトランスフェラーゼ
  • RlmN - 23S rRNA（アデニン(2503)-C(2)）メチルトランスフェラーゼ（rRNA修飾）
  • ScfB - SCIFF成熟酵素（チオエーテル架橋形成によるペプチド修飾）[ 79 ]
  • SkfB - 胞子形成阻害因子成熟酵素
  • SplB -胞子光産物リアーゼ（DNA修復）
  • ThiC - 4-アミノ-5-ヒドロキシメチル-2-メチルピリミジンリン酸（HMP-P）生合成（補因子生合成 - チアミン）
  • ThiH - チアゾールリン酸生合成（補因子生合成 -チアミン）
  • TrnC - ツリシン生合成
  • TrnD - ツリシン生合成
  • TsrT - トリプトファン 2-C-メチルトランスフェラーゼ（アミノ酸修飾 - 抗生物質生合成）
  • TYW1 - 4-デメチルウイシン合成酵素（tRNA修飾）
  • YqeV - tRNAメチルチオトランスフェラーゼ（tRNA修飾）

非正典

さらに、いくつかの非標準的なラジカルSAM酵素が報告されている。これらはPfam隠れマルコフモデルPF04055では認識されないが、3つのCys残基を4Fe4Sクラスターのリガンドとして利用し、S-アデノシルメチオニンからラジカルを生成する。これらには以下が含まれる。

  • ThiC (PF01964) - チアミン生合成タンパク質 ThiC (チアミン生合成補因子) (Cys残基はC末端付近) [ 80 ]
  • Dph2 (PF01866) - ジフタミド生合成酵素Dph2（タンパク質修飾 -翻訳伸長因子2におけるジフタミド）（異なるラジカル生成、3-アミノ-3-カルボキシプロピルラジカルに注意）[ 81 ]
  • PhnJ (PF06007) - ホスホネート代謝タンパク質PhnJ (CPホスホネート結合切断) [ 82 ]

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