Чем ограничена комбинаторика «букв» в нерибосомальных пептидах?

Многие сильные антибиотики имеют бактериальное происхождение, и один из их классов — это нерибосомальные пептиды. Они синтезируются с помощью крупных ферментативных комплексов (нерибосомальных пептидсинтетаз, сокращенно НРПС), специализированные белковые модули которых последовательно соединяют аминокислотные остатки. НРПС состоят из повторяющихся тридоменов CAT: аденилирующие (A) домены отбирают аминокислоту и переносят ее на тиолирующий (T) домен, а конденсирующие (C) домены катализируют образование пептидной связи. Как и обычные белки, нерибосомальные пептиды подвержены эволюционным изменениям, которые в основном происходят за счет рекомбинации их синтетаз — например, один А-домен может замениться другим, и это повлияет на структуру синтезируемого пептида.

Исследователи из Германии, Кореи и Великобритании проанализировали нерибосомальные пептиды группы GameXPeptides (GXP), которые синтезируются бактериями Photorhabdus sp. и Xenorhabdus. sp (эти бактерии обитают на нематодах и используют пептиды для уничтожения их жертв — насекомых). Они описали закономерности, которые определяют эволюцию этих пептидов в природе.

Сперва ученые определили, какие ферментативные комплексы следует относить к GXP-синтетазам (GxpS), опираясь на общее происхождение и ортологию. В качестве филогенетического ориентира они использовали тиоэстеразные домены, которые, как правило, содержатся в НРПС в единственном экземпляре. Они построили филогенетическое дерево T- и TE-доменов для 54 предполагаемых ортологов GxpS, взяв в качестве аутгруппы те же домены другой известной НРПС (KolS).

Все предполагаемые последовательности GxpS сформировали монофилетическую группу. Она не совпадала с деревом T- и TE-доменов — это говорит о том, что GxpS подвергались горизонтальному переносу. Сопоставление деревьев на уровне генов и видов показало, что GxpS первоначально возникли у Photorhabdus, а затем дважды передались Xenorhabdus.

Затем авторы проанализировали события рекомбинации между доменами, руководствуясь тем, что в отсутствие рекомбинации их филогенетическое древо совпадало бы с уже полученным для TE-доменов. Реконструкция выявила 17 случаев рекомбинации А-доменов и несколько случаев рекомбинации TC-доменов.

Дальнейший анализ выявил 10 уникальных вариантов GxpS, каждый со своим спектром синтезируемых молекул. Экспериментально ученые подтвердили синтез 49 возможных соединений (в том числе побочных продуктов). Авторы также реконструировали предковую последовательность GxpS, синтезировали соответствующий ген и экспрессировали его в клетках кишечной палочки. Оказалось, что основным продуктом предковой формы был циклический пентапептид из D-валина, L-лейцина, D-фенилаланина, D- и еще одного L-лейцина.

Также авторы обнаружили следы генетического дрейфа, о котором говорит большое число синонимичных рекомбинаций. Он ограничивает возможности естественного отбора, приводя к появлению неадаптивных вариантов. Но авторы уточняют, что даже нейтральные изменения могут играть важную роль в эволюционной «гонке вооружений» и ускорять дальнейшую адаптацию.

Наконец, исследователи оценили возможную комбинаторику доменов и пришли к выводу, что закономерности рекомбинации накладывают сильное ограничение на разнообразие нерибосомальных пептидов. Теоретически НРПС могут включать в них до 300 разных аминокислот, однако в реальности большая часть этого «алфавита» недоступна для конкретной НРПС — рекомбинация, как правило, происходит между уже имеющимися в ее гене А-доменами.

Таким образом, нерибосомальные пептиды, среди которых встречаются перспективные антибиотики, эволюционируют по тому же принципу, что и белки — на них влияют давление естественного отбора и генетический дрейф; при этом особенности рекомбинации ограничивают их теоретически возможное разнообразие. Полученные данные важны не только для фундаментальной науки — углубленное понимание механизма в перспективе позволит создавать новые антибиотики, которые смогут преодолеть существующую лекарственную устойчивость.

«Конструктор» из бактериальных ферментов для синтеза противораковых препаратов