Биоинформационно-структурный подход к поиску новых оксидаз D-аминокислот

СтатьяACT NATUR. 2022 Дек. 26; Т. 14, № 4: 57–68. DOI:10.32607/actanaturae.11812

Атрошенко Д.Л.^[1]

Головина Д.И.

Сергеев Е.П.

Шеломов М.Д.

Ельченинов А.Г.^[1]

Кубланов И.В.^[1]

Чубарь Т.А.

Пометун А.А.^[1]

Савин С.С.

Тишков В.И.^[1]

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

^[1]ФГУ«Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН»

Оксидаза D-аминокислот (DAAO, КФ 1.4.3.3) играет важную роль в жизни и прокариот, и эукариот как низших (дрожжи и грибы), так и высших (млекопитающие). В геномах архей гены DAAO пока не найдены. При этом даже внутри одной группы организмов (бактерии, дрожжи и грибы, млекопитающие) DAAO характеризуются очень низкой гомологией аминокислотных последовательностей. Особенно это выражено у бактериальных DAAO. Высокая вариабельность первичных структур DAAO сильно ограничивает поиск генов новых ферментов в известных геномах. В результате многие гены DAAO (если не большинство) остаются или неаннотированными, или неправильно аннотированными. Нами предложен подход, в котором биоинформатические методы в сочетании с анализом общей структуры и структуры активного центра используются для подтверждения того, что найденный ген кодирует именно оксидазу D-аминокислот и предсказания возможного типа ее субстратной специфичности. С помощью поиска по гомологии получают набор кандидатных последовательностей, проводят моделирование третичной структуры отобранных ферментов и сравнивают их с экспериментальными и модельными структурами известных DAAO. Показана эффективность предложенного подхода для дискриминации DAAO и глициноксидаз. С использованием этого подхода в шести штаммах экстремофильных бактерий найдены гены новых DAAO, и впервые в мире один ген идентифицирован в геноме галофильных архей. Предварительные эксперименты подтвердили предсказанную специфичность DAAO из Natronosporangium hydrolyticum ACPA39 в отношении D-Leu и D-Phe.

оксидаза D-аминокислот

первичная структура

третичная структура

моделирование

AlphaFold 2

глициноксидаза

D-аминокислот оксидаза

Pichia

Аминокислотная последовательность

Гены

Кинез

Свиньи

Связывания участки

Стрептомицеты

Субстратная специфичность

Человек

Чувствительность и специфичность

Tishkov V.I., Khoronenkova S.V. // Biochemistry (Moscow). 2005. V. 70. № 1. P. 40–54. doi: 10.1007/s10541-005-0050-2.
DOI: 10.1007/s10541-005-0050-2

Pollegioni L., Piubelli L., Sacchi S., Pilone M.S., Molla G. // Cell Mol. Life Sci. 2007. V. 64. P. 1373–1394. doi: 10.1007/s00018-007-6558-4.
DOI: 10.1007/s00018-007-6558-4

Chumakov I., Blumenfeld M., Guerassimenko O., Cavarec L., Palicio M., Abderrahim H., Bougueleret L., Barry C., Tanaka H., La R.P., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. P. 13675–13680. doi: 10.1073/pnas.182412499.
DOI: 10.1073/pnas.182412499

Cheng Y.J., Lin C.H., Lane H.Y. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22(20). P. 10917. doi: 10.3390/ijms222010917.
DOI: 10.3390/ijms222010917

Pernot P., Mothet J.P., Schuvailo O., Soldatkin A., Pollegioni L., Pilone M., Adeline M.T., Cespuglio R., Marinesco S. // Anal. Chem. 2008. V. 80. P. 1589–1597. doi: 10.1021/ac702230w.
DOI: 10.1021/ac702230w

Khoronenkova S.V., Tishkov V.I. // Biochemistry (Moscow). 2008. V. 73. P. 1511–1518. doi: 10.1134/s0006297908130105.
DOI: 10.1134/s0006297908130105

Pollegioni L., Molla G., Sacchi S., Rosini E., Verga R., Pilone M.S. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008. V. 78. P. 1–16. doi: 10.1007/s00253-007-1282-4.
DOI: 10.1007/s00253-007-1282-4

Pollegioni L., Molla G. // Trends Biotechnol. 2011. V. 29. P. 276–283. doi: 10.1016/j.tibtech.2011.01.010.
DOI: 10.1016/j.tibtech.2011.01.010

Takahashi S., Abe K., Kera Y. // Bioengineered. 2015. V. 6. P. 237–241. doi: 10.1080/21655979.2015.1052917.
DOI: 10.1080/21655979.2015.1052917

Pollegioni L., Caldinelli L., Molla G., Sacchi S., Pilone M.S. // Biotechnol. Prog. 2004. V. 20. P. 467–473. doi: 10.1021/bp034206q.
DOI: 10.1021/bp034206q

Atroshenko D.L., Shelomov M.D., Zarubina S.A., Negru N.Y., Golubev I.V., Savin S.S., Tishkov V.I. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. P. 4412. doi: 10.3390/ijms20184412.
DOI: 10.3390/ijms20184412

Isogai T., Ono H., Ishitani Y., Kojo H., Ueda Y., Kohsaka M. // J. Biochem. 1990. V. 108. P. 1063–1069. doi: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123306.
DOI: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123306

Gonzalez F.J., Montes J., Martin F., Lopez M.C., Ferminan E., Catalan J., Galan M.A., Dominguez A. // Yeast. 1997. V. 13. P. 1399–1408. doi: 10.1002/(SICI)1097-0061(199712)13:15<1399.
DOI: 10.1002/(SICI)1097-0061(199712)13:15<1399

Pollegioni L., Molla G., Campaner S., Martegani E., Pilone M.S. // J. Biotechnol. 1997. V. 58. P. 115–123. doi: 10.1016/s0168-1656(97)00142-9.
DOI: 10.1016/s0168-1656(97)00142-9

Klompmaker S.H., Kilic A., Baerends R.J., Veenhuis M., van der Klei I.J. // FEMS Yeast Res. 2010. V. 10. P. 708–716. doi: 10.1111/j.1567-1364.2010.00647.x.
DOI: 10.1111/j.1567-1364.2010.00647.x

Yurimoto H., Hasegawa T., Sakai Y., Kato N. // Biosci. Biotechnol. Biochem. 2001. V. 65. P. 627–633. doi: 10.1271/bbb.65.627.
DOI: 10.1271/bbb.65.627

Shimekake Y., Furuichi T., Abe K., Kera Y., Takahashi S. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 11948. doi: 10.1038/s41598-019-48480-y.
DOI: 10.1038/s41598-019-48480-y

Atroshenko D., Shelomov M., Zhgun A., Avdanina D., Eldarov M., Pometun A., Chubar T., Savin S., Tishkov V. // FEBS Open Bio. 2018. V. 8(S1). P. 190. doi: 10.1002/2211-5463.12453.
DOI: 10.1002/2211-5463.12453

Jumper J., Hassabis D. // Nat. Methods. 2022. V. 19. P. 11–12. doi: 10.1038/s41592-021-01362-6.
DOI: 10.1038/s41592-021-01362-6

Mirdita M., Schutze K., Moriwaki Y., Heo L., Ovchinnikov S., Steinegger M. // Nat. Methods. 2022. V. 19. P. 679–682. doi: 10.1038/s41592-022-01488-1.
DOI: 10.1038/s41592-022-01488-1

Emsley P., Lohkamp B., Scott W.G., Cowtan K. // Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr. 2010. V. 66. P. 486–501. doi: 10.1107/S0907444910007493.
DOI: 10.1107/S0907444910007493

Morris G.M., Huey R., Lindstrom W., Sanner M.F., Belew R.K., Goodsell D.S., Olson A.J. // J. Comput. Chem. 2009. V. 30. P. 2785–2791. doi: 10.1002/jcc.21256.
DOI: 10.1002/jcc.21256

Santos-Martins D., Solis-Vasquez L., Tillack A.F. // J. Chem. Theory. Comput. 2021. V. 17. P. 1060–1073. doi: 10.1021/acs.jctc.0c01006.
DOI: 10.1021/acs.jctc.0c01006

Sorokin D.Y., Elcheninov A.G., Khijniak T.V., Zaharycheva A.P., Boueva O.V., Ariskina E.V., Bunk B., Sproer C., Evtushenko L.I., Kublanov I.V., Hahnke R.L. // Appl. Microbiol. 2022. V. 45. P. 126307. doi: 0.1128/AEM.02193-14.
DOI: 0.1128/AEM.02193-14

Sorokin D.Y., Khijniak T.V., Zakharycheva A.P., Elcheninov A.G., Hahnke R.L., Boueva O.V., Ariskina E.V., Bunk B., Kublanov I.V., Evtushenko L.I. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2021. V. 71. P. 04804. doi: 10.1099/ijsem.0.004804.
DOI: 10.1099/ijsem.0.004804

Sorokin D.Y., Elcheninov A.G., Toshchakov S.V., Bale N.J., Sinninghe Damste J.S., Khijniak T.V., Kublanov I.V. // Appl. Microbiol. 2019. V. 42. P. 309–318. doi: 10.1016/j.syapm.2019.01.001.
DOI: 10.1016/j.syapm.2019.01.001

Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. // Acta Naturae. 2011. V. 3. P. 38–54. PMID: 22649703

Tishkov V.I., Popov V.O. // Biochemistry (Moscow). 2004. V. 69. P. 1252–1267. doi: 10.1007/s10541-005-0071-x..
DOI: 10.1007/s10541-005-0071-x

Tishkov V.I., Popov V.O. // Biomol. Eng. 2006. V. 23. P. 89–110. doi: 10.1016/j.bioeng.2006.02.003.
DOI: 10.1016/j.bioeng.2006.02.003

Baker P.J., Britton K.L., Rice D.W., Rob A., Stillman T.J. // J. Mol. Biol. 1992. V. 228. P. 662–671. doi: 10.1016/0022-2836(92)90848-e.
DOI: 10.1016/0022-2836(92)90848-e

Rao S.T. Rossmann M.G. // J. Mol. Biol. 1973. V. 76. P. 241–256. doi: 10.1016/0022-2836(73)90388-4.
DOI: 10.1016/0022-2836(73)90388-4

Tishkov V.I., Khoronenkova S.V., Cherskova, N.V., Savin S.S., Uporov I.V. // Moscow Univ. Chem. Bull. 2010. V. 65. № 3. P. 121–126. doi: 10.3103/S0027131410030028.
DOI: 10.3103/S0027131410030028

Jumper J., Evans R., Pritzel A., Green T., Figurnov M., Ronneberger O., Tunyasuvunakool K., Bates R., Zidek A., Potapenko A., et al. // Nature. 2021. V. 596. P. 583–589. doi: 10.1038/s41586-021-03819-2.
DOI: 10.1038/s41586-021-03819-2

Pollegioni L., Sacchi S., Murtas G. // Front. Mol. Biosci. 2018. V. 5. P. 107. doi: 10.3389/fmolb.2018.00107.
DOI: 10.3389/fmolb.2018.00107

Язык текста: Русский

ISSN: 2075-8243