이소펩타이드 결합

이소펩타이드 결합은 예를 들어 한 아미노산의 카르복실 그룹과 다른 아미노산 그룹 사이에 형성될 수 있는 아미드 결합이다. 이러한 결합 집단 중 적어도 하나는 이러한 아미노산 중 하나의 측면 사슬의 일부로서,^[1] 특히 두 가지를 구별하기 위해 동일한 맥락에서 이 두 결합 유형에 대해 논의할 때, 때로는 유펩타이드 결합이라고 불리는 펩타이드 결합에서와는 달리 특히 그러하다.

예를 들어 리신은 사이드 체인에 아미노 그룹이 있고 글루탐산은 사이드 체인에 카복실 그룹이 있다. 다른 유사한 아미노산들 중 이 아미노산은 이소펩타이드 결합을 형성하기 위해 함께 또는 다른 아미노산과 결합할 수 있다.

이소펩타이드 결합은 또한 --카복사미드 그룹 사이에 형성될 수 있다. - (C=O)NH₂ ) 글루타민 및 일부 아미노산의 1차 아민(RNH₂ )은 다음과^[2] 같다.

Gln−(C=O)NH₂ + RNH₂ → Gln−(C=O)NH−R + NH₃

결합 형성은 트랜스글루타미나제에 의해 촉매된 리신과 글루타민 사이에 형성된 이소펩타이드 결합의 경우처럼 효소 촉매로 만들 수도 있고(그들의 반응은 위의 반응과 유사하다),^[2] HK97 박테리오파지 캡시드 형성과^[3] 그람 양성 박테리아 플릴에서 관찰된 대로 자연적으로 형성될 수도 있다.^[4] 자발적 이소펩타이드 결합 형성은 근접 유도 방식으로 결합 형성을 촉진하는 또 다른 잔류물인 글루탐산의 존재를 필요로 한다.^[5]

이소펩타이드 결합을 함유한 작은 펩타이드의 예는 글루타티온으로 글루타미트 잔여물의 측면 사슬과 시스테인 잔여물의 아미노 그룹 사이에 결합이 있다. 이소펩타이드 결합에 관여하는 단백질의 예로는 유비퀴틴이 있는데, 유비퀴틴의 C-단자 글리신 잔류물과 기질 단백질의 리신 사이드 체인 사이의 결합으로 다른 단백질에 부착된다.

바이오시그널링 및 생물구조적 역할

생성된 이소펩타이드 결합의 기능은 신호와 구조라는 두 개의 별개의 범주로 대략 나눌 수 있다. 전자의 경우 이것들은 단백질 기능,^[6][7] 염색질 응축 또는 단백질 반감기에 영향을 미치는 광범위한 기능이 될 수 있다.^[8] 는 후자의 범주와 관련해 isopeptides 구조 여러 측면의 휴대 매트릭스 유지 및에 상처 healing,[9]역할에서 그 혈전이 형성되도록 도와 주시고는 숙주 세포의 pathogenecity에 도움이 되는actin며 뼈의 병원성 pilin,[11]구조 조정의 형성에 세포 pathway,[10] 역할을 역할을 할 수 있다. V는 cholerae,[12]셀 구조에서 마이크로 튜빈 속성을 수정하여 역할에 영향을 미치게 한다.^[13]

이러한 이소펩타이드 결합의 형성에 관여하는 화학 또한 이 두 가지 범주에 속하는 경향이 있다. 유비퀴틴과 유비퀴틴 유사 단백질의 경우, 결합 반응을 위한 표적 단백질에 도달하기 위해 복수의 중간 효소를 사용하여 일련의 반응으로 펩타이드를 지속적으로 통과하는 구조화된 경로를 가지는 경향이 있다.^[6] 구조 효소는 박테리아와 진핵종 영역과는 다르지만 일반적으로 한 번에 두 기판을 융합하여 해당 기판을 연결하고 상호 연결하는 더 큰 반복 과정을 통해 큰 고분자 구조를 형성하고 영향을 미치는 단일 효소인 경향이 있다.^{[14][15][12][16]}

효소결합화학

바이오시그널링 본드 화학

이소펩타이드 결합 형성의 화학자들은 그들의 생물학적 역할과 같은 방식으로 나뉘어져 있다. 신호 전도를 목적으로 한 단백질과 다른 단백질을 결합하는 데 사용되는 이소펩타이드의 경우, 문헌은 일반적으로 매우 잘 연구된 유비퀴틴 단백질과 관련 단백질에 의해 지배된다. SMO, Atg8, Atg12 등 유비퀴틴과 관련된 단백질이 많지만, 모두 비교적 동일한 단백질 레깅 경로를 따르는 경향이 있다.^[6]

따라서, 가장 좋은 예는 유비퀴틴을 살펴보는 것인데, 일정한 차이가 있을 수 있지만, 유비퀴틴은 기본적으로 이 모든 경우에 따라오는 모델이다. 이 공정은 기본적으로 3개의 계층을 가지고 있는데, 초기 단계에서는 일반적으로 E1로 표기된 활성화 단백질이 ATP로 아데닐화하여 유비쿼티틴 단백질을 활성화시킨다. 그러면 아데닐화 유비퀴틴은 기본적으로 활성화되며, 유비퀴틴의 c-terminal 글리신 그룹과 E1 사이스테인의 유황 사이에 있는 티오에스터 결합을 사용하여 보존된 사이스테인으로 전달될 수 있다.^[6][8] 활성화 E1 효소는 그 후 유비퀴틴과 결합하여 다음 단계인 E2 효소로 전달되는데, 이 효소는 단백질을 받아들이고 다시 한 번 보존된 결합으로 티오에스터를 형성한다. E2는 어느 정도 매개체로서 작용하여 최종 계층을 위해 E3 효소 리가아제에 결합되며, 이는 결국 유비퀴틴 또는 유비퀴틴 관련 단백질을 표적 단백질의 라이신 부위로, 또는 보다 일반적으로 유비퀴틴 자체로 전달하여 해당 단백질의 체인을 형성한다.^[6]

단, 최종 단계에서는 E3 리가제의 종류에 따라 실제로 결합을 유발하지 않을 수 있다는 점에서 차이가 있기도 하다. HT 도메인을 포함하는 E3 리가스가 있는데, 이 리가스는 보존된 또 다른 사이스테인을 통해 유비퀴틴을 다시 한 번 수용한 다음 그것을 목표로 하여 원하는 대상으로 전송함으로써 이 '전송 체인'을 계속한다. 그러나 아연 이온과의 조정 결합을 사용하여 구조를 안정화시키는 RING 핑거 영역의 경우, 그들은 반응을 지시하기 위해 더 많이 작용한다. 즉, 일단 RING 핑거 E3 리가제가 유비퀴틴을 함유한 E2와 결합하면, 그것은 단순히 E2가 라이신 부위에서 표적 단백질을 직접 배양하도록 지시하는 표적 장치 역할을 한다는 것을 의미한다.^[6][17]

이 경우 유비퀴틴은 그것과 관련된 다른 단백질을 잘 나타내지만, 각각의 단백질은 분명히 그 자체의 성가신 점이 있을 것이며, 이는 RING 핑거 영역 리깅스인 경향이 있고, E3는 단순히 E2에 의한 레깅스를 지시하는 표적 장치로 작용하며, 유비퀴틴 E3-HEC와 같은 반응 자체를 실제로 수행하지 않는 것이다.T 묶음.^[8] 따라서 단백질이 전이 사슬에 어떻게 관여하는지와 같은 내부 메커니즘은 다르지만, 티오스터를 사용하는 것과 같은 일반적인 화학적 측면과 타겟팅에 대한 특정 구속은 그대로 유지된다.

Biostructural bond chemistry

The enzymatic chemistry involved in the formation of isopeptides for structural purposes is different from the case of ubiquitin and ubiquitin related proteins. In that, instead of sequential steps involving multiple enzymes to activate, conjugate and target the substrate.^[18] The catalysis is performed by one enzyme and the only precursor step, if there is one, is generally cleavage to activate it from a zymogen. However, the uniformity that exists in the ubiquitin’s case is not so here, as there are numerous different enzymes all performing the reaction of forming the isopeptide bond.

The first case is that of the sortases, an enzyme family that is spread throughout numerous gram positive bacteria. It has been shown to be an important pathogenicity and virulence factor. The general reaction performed by sortases involves using its own brand of the ‘catalytic triad’: i.e. using histidine, arginine, and cysteine for the reactive mechanism. His and Arg act to help create the reactive environment, and Cys once again acts as the reaction center by using a thioester help hold a carboxyl group until the amine of a Lysine can perform a nucleophilic attack to transfer the protein and form the isopeptide bond. An ion that can sometimes play an important although indirect role in the enzymatic reaction is calcium, which is bound by sortase. It plays an important role in holding the structure of the enzyme in the optimal conformation for catalysis. However, there are cases where calcium has been shown to be non-essential for catalysis to take place.^[15]

Another aspect that distinguishes sortases in general is that they have a very specific targeting for their substrate, as sortases have generally two functions, the first is the fusing of proteins to the cell wall of the bacteria and the second is the polymerization of pilin. For the process of localization of proteins to the cell wall there is three-fold requirement that the protein contain a hydrophobic domain, a positively charged tail region, and final specific sequence used for recognition.^[19] The best studied of these signals is the LPXTG, which acts as the point of cleavage, where the sortase attacks in between Thr and Gly, conjugating to the Thr carboxyl group.^[15] Then the thioester is resolved by the transfer of the peptide to a primary amine, and this generally has a very high specificity, which is seen in the example of B. cereus where the sortase D enzyme helps to polymerize the BcpA protein via two recognition signals, the LPXTG as the cleavage and thioester forming point, and the YPKN site which acts as the recognition signal as where the isopeptide will form.^[20] While the particulars may vary between bacteria, the fundamentals of sortase enzymatic chemistry remain the same.

다음 사례는 상처 치유나 지질막에 단백질을 부착하는 등 다양한 이유로 서로 다른 단백질을 융합하는 데 주로 진핵생물 내에서 작용하는 트랜스글루타미나제(TGAS)의 경우다.^[21][9] TGAS 그 자체도 히스티딘, 아스파르타이트, 시스테인과 함께 그들만의 '카탈리틱 트라이애드'를 함유하고 있다. 이러한 잔류물의 역할은 His와 Asp가 대상 잔류물과 상호작용하는 데 조력자 역할을 하는 반면 Cys는 일차 아민의 후기 핵포착 공격을 위해 카복실 그룹과 티오에스터를 형성하며, 이 경우 라이신(Lysine)의 관심으로 인해, 앞에서 설명한 Sortases와 유사하거나 동일하다. 비록 분류효소의 유사성은 촉매적으로 끝나기 시작하지만, 효소와 가족은 칼슘에 의존하고 있기 때문에, 효소의 엄격한 순응을 유지하는 데 중요한 구조적 역할을 한다. TGAS는 또한 'Gln-Gln-Val' 순서에서 특히 중간 Gln을 목표로 한다는 점에서 기질 특수성이 매우 다르다. 일반적인 기질 특이성, 즉 특정 단백질은 기질까지 표적이 되는 서로 다른 TGAS의 일반적인 구조 때문이다.^[22]

TGAS에서는 서로 다른 TGAS가 동일한 단백질에서 서로 다른 Gln과 반응하여 효소가 매우 구체적인 초기 표적을 가지고 있음을 나타내는 특이성이 주목되어 왔다.^[23] 또한, 리스에 인접한 잔류물이 반응의 발생 여부를 결정하는 인자 XII의 경우처럼, 어느 대상 라이신에게 단백질을 전달하는지 여부에 대한 특정성을 가지고 있는 것으로 나타났다.^[9] 따라서 TGases는 처음에는 진핵 분류효소처럼 보일 수 있지만, 그들은 별도의 효소 세트로 그들 스스로 서 있다.

구조목적으로 효소를 연결하는 이소펩타이드의 또 다른 사례는 V.콜레라에 의해 생성되는 MARTX 독소 단백질의 액틴 교차연결 영역(ACD)이다. 카탈루션을 수행할 때 ACD는 교차 링크 형성을 위해 마그네슘과 ATP를 사용하는 것으로 확인되었지만 메커니즘의 세부 사항은 불확실하다. 이 경우 형성된 크로스링크의 흥미로운 측면은 비단말형 글루(Non-terminal Glu)를 사용하여 비단말형 리스로 ligrate한다는 점인데, 이소펩타이드 결합을 형성하는 과정에서 드물게 보인다.^[12] ACD의 화학성분은 아직 해결되지 않았지만, 이소펩타이드 결합 형성은 단순히 단백질 간의 비단말 이소펩타이드 연결에 대한 Asp/Asn에 의존하지 않는다는 것을 보여준다.

마지막 사례는 마이크로튜브린(MT)의 포스트 번역 수정의 신기한 경우다. MT는 다양한 포스트 번역 수정을 포함하고 있다. 그러나 가장 관심을 끄는 두 가지는 폴리글루타밀레이션과 폴리글리실레이션이다. 두 가지 수정 모두 MT의 c-단자 영역에서 글루탐산염의 사이드 체인 카복실 그룹에 융합된 동일한 아미노산의 스트레칭을 반복한다는 점에서 유사하다. 효소 메커니즘은 폴리글리케이팅 효소에 대해 잘 알려져 있지 않기 때문에 완전히 벗겨지지 않는다. 폴리글루타밀화의 경우 정확한 메커니즘도 알 수 없지만 ATP에 의존하는 것처럼 보인다.^[24] 다시 효소 화학에 관해서는 명확성이 부족하지만, 수정 펩타이드의 N-단자 아미노와 연계하여 글루의 R-그룹 카복실을 이용한 이소펩타이드 결합의 형성에 대해서는 여전히 귀중한 통찰력이 있다.

자연형성

연구원들은 자발적 이소펩타이드 결합 형성을 이용하여 SpyTag라고 불리는 펩타이드 태그를 개발했다. SpyTag는 공동의 이소펩타이드 결합을 통해 결합 파트너(SpyCatcher라고 불리는 단백질)와 자발적이고 불가역적으로 반응할 수 있다.^[5] 이 분자 도구는 단백질 미세배열을 위한 생체내 단백질 타겟팅, 형광 현미경 검사 및 되돌릴 수 없는 부착에 적용할 수 있다. 그 뒤를 이어 SpyTag/SnoopCatcher와^[25] SpyTag/SpyCatcher를 보완하는 SdyTag/SdyCatcher와^[26] 같은 다른 태그/캐처 시스템이 개발되었다.

참고 항목

• 유기 화학
• 생화학
• 단백질 태그
• 스파이캐처

참조