Pyrrolysine

Pyrrolysine
Structuurformule en molecuulmodel
Algemeen
Molecuul­formule	C12H21N3O3
IUPAC-naam	N^6-{[(2R,3R)-3-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-2-yl]carbonyl}-L-lysine
Molmassa	255,313 g/mol
SMILES	O=C(NCCCC[C@@H](C(=O)O)N)[C@@H]1/N=C\C[C@H]1C
CAS-nummer	448235-52-7
PubChem	5460671
Wikidata	Q409687
Portaal    Scheikunde

Pyrrolysine (in de eiwitchemie afgekort als Pyl of O) is een natuurlijk voorkomend, en tijdens de translatie van de genetische code direct in het groeiend eiwit ingebouwd aminozuur. PYL wordt door een aantal methaanproducerende archaea en, voor zover bekend (2015), één bacterie gebruikt in enzymen die deel uitmaken van het methaanproducerende metabolisme. Het aminozuur is een derivaat van lysine, maar dit is via een peptidebinding aan de aminogroep van de zijketen gekoppeld aan een pyrrolinering. De genetische code voor dit aminozuur in de betreffende organismen wijkt af van de standaardwijze waarop aminozuren gecodeerd worden. Omdat PYL tijdens de translatie in de groeiende peptideketen wordt ingebouwd, wordt het beschouwd als het 22e (na selenocysteïne, het 21e) proteïnogene aminozuur.^[1][2][3]

De gezamenlijke nomenclatuurcommissie van de IUPAC/IUBMB heeft een officiële aanbeveling gedaan de drieletterafkorting Pyl te grbuiken Voor de eenlettercodering van aminozuren wordt de O aanbevolen.^[4]

Samenstelling

Uit Röntgendiffractie^[5] en MALDI massaspectrometrie blijkt dat PYL is opgebouwd uit 4-methylpyrroline-5-carbonzuur dat via een peptidebinding gekoppeld is aan de aminogroep in de zijketen van lysine.^[6]

Biosynthese

De biosynthese van PYL gaat uit van twee moleculen L-lysine. De eerste stap wordt gevormd door de omzetting van een van de lysinemoleculen in (3R)-3-Methyl-D-ornithine, dat vervolgens aan het tweede lysinemolecuul gekoppeld wordt. Vervolgens wordt een NH₂-groep geëlimineerd, gevolgd door de cyclisatiereactie en de dehydrogenering waarbij ten slotte L-PYL ontstaat.^[7]

Katalytische werking

De volgende beschrijving is een mogelijk, maar nog niet (2015) bewezen, reactiemechanisme.

De extra pyrrolinering van PYL komt voor in de actieve plaats van verschillende methyltransferases. Aangenomen wordt dat de ring relatief vrij kan roteren. Daardoor kan deze ring gebruikt worden om de methylgroep van methylamine op de juiste wijze te positioneren en te activeren voor de reactie met een corrinoide-cofactor. Een in de buurt liggende carboxylaatgroep (van glutamine) wordt geprotoneerd, waarna dit proton overgedragen wordt op het stikstofatoom van het stikstofatoom in de ring, waardoor methylamine een nucleofiele additiereactie op het ringkoolstof kan uitvoeren. De positieve lading die op het stikstofatoom in de ring is ontstaan wordt door de negatieve lading van het glutamaat in de juiste positie ten opzichte van de actieve plaats gebracht, waardoor de methylgroep van het methylamine kan reageren met het kobaltatoom in het corrinoide. Op deze manier wordt netto een CH₃⁺-groep overgebracht naar het kobalt-atoom met een gelijktijdige verandering van oxidatiegetal van I naar III. Onder uitstoting van NH₃ wordt het oorspronkelijke imine hersteld.^[5]

De genetische code voor pyrrolysine

Algemeen

Een van de voornaamste functies van de genetische code is het aansturen van de opbouw van proteïnen en wanneer en in welke cel(onderdeel) de synthese plaatsvindt. Bijna alle proteïnen worden opgebouwd uit slechts 20 standaard bouwstenen, aminozuren, die op basis van de in DNA vastliggende genetische code in een lange keten aaneen gekoppeld worden. Voor speciale chemische reacties wordt vaak na de translatie nog een posttranslationele modificatie uitgevoerd. Toch is de genetische code zelf vrijwel voor alle organismen identiek. Onderzoekers kunnen daarom op basis van de volgorde van DNA van een nieuw organisme direct aangeven wat de waarschijnlijke functie ervan is, gebaseerd op die universele code. Voorwaarde is dan wel, dat de code echt universeel is. De ontdekking van ongebruikelijke aminozuren, gecodeerd met een eigen code, zet vraagtekens bij de universaliteit van de genetische code. Het is dan belangrijk te begrijpen, wat er precies aan de hand is. Daarnaast vormen dit soort afwijkingen een aanwijzing, dat de evolutie van de genetische code niet gestopt is voor de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle rijken in de biologie, ongeveer drie tot vier miljard jaar geleden.

De twee tot nu toe (2015) ontdekte ongebruikelijke gecodeerde aminozuren zijn selenocysteïne en PYL. PYL is in 2002 ontdekt als onderdeel van de actieve plaats van het methyl-transferase van het methaanproducerende archeon Methanosarcina barkeri.^[5][8] De genetische code voor PYL is UAG, normaal gesproken een stopcodon. De synthese en de inbouw van PYL in proteïnes wordt aangestuurd door het genencluster pylTSBCD.^[9]

Codering

In tegenstelling tot een aantal andere lysinederivaten die tijdens een posttranslationele modificatie gerealiseerd worden (bijvoorbeeld: hydroxylysine, methyllysine en hypusine), wordt PYL tijdens de translatie als zodanig in de eiwitketen ingebouwd, vergelijkbaar met de standaard aminozuren. In het mRNA wordt het triplet UAG gebruikt, dat voor de meeste organismen een stopcodon vormt. Het UAG-triplet gebruiken als code voor PYL vraagt slechts de aanwezigheid in het genoom van twee genen: het pylT-gen, dat codeert voor het tRNA met een CUA-anticodon , en het pylS-gen, dat codeert voor het enzym dat het tRNA laadt met PYL. Het UAG-codon wordt gevolgd door een PYLIS downstream sequence.^[10] Deze speciale manier van coderen biedt bovendien de mogelijkheid om ten behoeve van researchdoeleinden ook andere aminozuren via deze route in eiwitten in te bouwen. Onder andere in Escherichia coli zijn hier reeds resultaten mee geboekt.^{[11][12][13][14]}

Evolutie

De genen voor pylT (tRNA) en pylS (koppelenzym) komen in Methanosarcina barkeri in hetzelfde operon voor. De andere genen in het PYL-operon coderen voor enzymen die betrokken zijn bij de biosynthese van PYL. Het complete operon kan hiermee omschreven worden als een "natuurlijke uitbreidingsset voor de genetische code"^[15] (Zie ook uitgebreide genetische code). Homologen komen voor in andere leden van de Methanosarcinaceaefamilie: M. acetivorans, M. mazei, and M. thermophila en een gram-positieve bacterie, Desulfitobacterium hafniense.^[16][17] Bekende enzymen waarin PYL voorkomt zijn nu (2015): monomethylamine methyltransferase (mtmB), dimethylamine methyltransferase (mtbB) en trimethylamine methyltransferase (mttB). Vooral het voorkomen van het operon in Desulfitobacterium is interessant, omdat bacteriën en archaea tot verschillende domeinen in de biologie behoren. Als het gebruik van PYL beperkt was tot de Methanosarcinaceae, dan kan het toepassen van dit aminozuur als een late "uitvinding" van de archaea verstaan worden.^[18] Het voorkomen bij bacteriën kan op twee manieren verklaard worden:

1. Het PylRS-operon was al aanwezig in de laatste gemeenschappelijke voorouder van beide domeinen, zo'n 3 miljard jaar geleden. Het operon is slechts blijven bestaan in organismen die methylamines als energiebron gebruiken.^[19]
2. De tweede mogelijkheid is horizontale genoverdracht, tussen twee niet-gerelateerde micro-organismen.^[20]

Tussen de operonen van de archae en de bacteriën zijn kleine verschillen. In D. hafniense bestaat het pylS (het koppelingsenzym) uit twee eiwitten. Bovendien is het UAG-codon voor bijna alle proteïnen van dit organisme een stopcodon, met slechts één geval waarin PYL wordt gecodeerd. In tegenstelling hiermee kon bij de archae niet aangetoond worden dat UAG als stopcodon optrad.^[16] Omdat er slechts een positie is waarop PYL in proteïnen wordt ingebouwd was het niet mogelijk vast te stellen of er, net als bij selenocysteïne, een soort vervolgcode noodzakelijk is om inderdaad PYL in te bouwen.

Het tRNA met CUA als anticodon kan in vitro met lysine gekoppeld worden door Lysyl-tRNA synthetases uit M. barkeri Klasse I en Klasse II. Deze enzymen werken niet met PYL. De koppeling van lysine aan het tRNA, gevolgd door aanbouw van de pyrroline-ring, is ooit voorgesteld als eerste stap in de vorming van tRNA-PYL, een reactieroute die vergelijkbaar is die voor de opbouw van tRNA-Selenocyteïne. Latere onderzoeksresultaten geven aan dat PYL direct aan het tRNA gekoppeld wordt onder invloed van de producten van het pylS-gen.^[21][22] De in vitro koppeling maakt het wel mogelijk om andere, niet-natuurlijke (!), aminozuren in te bouwen in proteïnen.

Bronnen, noten en/of referenties

1. J.F. Atkins, R. Gesteland. (2002). The 22nd Amino Acid Science. 296 (5572): pag.: 1409–1410 DOI:10.1126/science.1073339 PubMed: 12029118
2. J.A. Krzycki. (2005). The direct genetic encoding of pyrrolysine Curr.Opin.Microbiol.. 8 (6): pag.: 706–712 DOI:10.1016/j.mib.2005.10.009 PubMed: 16256420
3. . (2002). 22nd Amino Acid Identified Chemical and Engineering News. 80 (21): pag.: 13 Internetpagina: on discovery of pyrrolysine geraadpleegd op 28 september 2015
4. . (2009). Newsletter 2009 Ed.: Richard Cammack Biochemical Nomenclature Committee of IUPAC and NC-IUBMB Internetpagina: Pyrrolysine geraadpleegd op 28 september 2015
5. Bing Hao, Gong, Ferguson, James, Krzycki, Chan. (2002). A New UAG-Encoded Residue in the Structure of a Methanogen Methyltransferase Science. 296 (5572): pag.: 1462–1466 DOI:10.1126/science.1069556 PubMed: 12029132
6. J.A. Soares, L. Zhang, R.L. Pitsch, N.M. Kleinholz, R.B. Jones, J.J. Wolff, J. Amster, K.B. Green-Church, J.A. Krzycki. (2005). The residue mass of L-pyrrolysine in three distinct methylamine methyltransferases The Journal of Biological Chemistry. 280 (44): pag.: 36962–36969 DOI:10.1074/jbc.M506402200 Internetpagina: L-pyrrolysine
7. Marsha A. Gaston, Zhang, Green-Church, Krzycki. (2011). The complete biosynthesis of the genetically encoded amino acid pyrrolysine from lysine Nature. 471 (7340): pag.: 647–650 DOI:10.1038/nature09918 PubMed: 21455182
8. g. Srinivasan, C.M. James, J.A. Krzycki. (2002-05-24). Pyrrolysine encoded by UAG in Archaea: charging of a UAG-decoding specialized tRNA Science. 296 (5572): pag.: 1459–1462 DOI:10.1126/science.1069588 PubMed: 12029131
9. M. Rother, J.A.Krzycki. (2010). Selenocysteine, pyrrolysine, and the unique energy metabolism of methanogenic archaea Archaea. 453642 pag.: 1 DOI:10.1155/2010/453642 PubMed: 20847933
10. Théobald-Dietrich, Giegé, Rudinger-Thirion (2005). Evidence for the existence in mRNAs of a hairpin element responsible for ribosome dependent pyrrolysine insertion into proteins Biochimie. 87 (9-10): pag.: 813–917 DOI:10.1016/j.biochi.2005.03.006 PubMed: 16164991
11. B. Hao, g. Zhao, P.T. Kang, J.A. Soares, T.K. Ferguson, J. Gallucci, J.A. Krzycki, M.K. Chan. (2004). Reactivity and chemical synthesis of L-pyrrolysine- the 22(nd) genetically encoded amino acid Chem.Biol.. 11 (9): pag.: 1317–1324 DOI:10.1016/j.chembiol.2004.07.011 PubMed: 15380192
12. W.T. Li, A. Mahapatra, D.G. Longstaff, J. Bechtel, G. Zhao, P.T. Kang, M.K. Chan, J.A. Krzycki. (2009). Specificity of pyrrolysyl-tRNA synthetase for pyrrolysine and pyrrolysine analogs J.Mol.Biol.. 385 (4): pag.: 1156–1164 DOI:10.1016/j.jmb.2008.11.032 PubMed: 19063902
13. T. Fekner, X. Li, M.M. Lee, M.K. Chan. (2009). A pyrrolysine analogue for protein click chemistry Angew.Chem.Int.Ed.Engl.. 48 (9): pag.: 1633–1635 DOI:10.1002/anie.200805420 PubMed: 19156778
14. P.R. Chen, D. Groff, J. Guo, W. Ou, S. Cellitti, B.H. Geierstanger, P.G. Schultz. (2009). A facile system for encoding unnatural amino acids in mammalian cells Angew.Chem.Int.Ed.Engl.. 48 (22): pag.: 4052–4055 DOI:10.1002/anie.200900683 PubMed: 19378306
15. D.G. Longstaff, R.C. Larue, J.E. Faust, A. Mahapatra, L. Zhang, K.B. Green-Church, J.A. Krzycki. (2007). A natural genetic code expansion cassette enables transmissible biosynthesis and genetic encoding of pyrrolysine Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 104 (3): pag.: 1021–1026 DOI:10.1073/pnas.0610294104 PubMed: 17204561
16. Y. Zhang, P.V. Baranov, J.F. Atkins, V.N. Gladyshev. (2005). Pyrrolysine and selenocysteine use dissimilar decoding strategies J.Biol.Chem.. 280 (21): pag.: 20740–20751 DOI:10.1074/jbc.M501458200
17. Y. Zhang, V.N. Gladyshev. (2007). High content of proteins containing 21st and 22nd amino acids, selenocysteine and pyrrolysine, in a symbiotic deltaproteobacterium of gutless worm Olavius algarvensis Nucleic Acids Research. 35 (15): pag.: 4952–4963 DOI:10.1093/nar/gkm514
18. A. Ambrogelly, S. Gundllapalli, S. Herring, C. Polycarpo, C. Frauer, D. Söll. (2007). Pyrrolysine is not hardwired for cotranslational insertion at UAG codons PNAS. 104 (9): pag.: 3141–3146 DOI:10.1073/pnas.0611634104 PubMed: 17360621
19. K. Nozawa, P. O'Donoghue, S. Gundllapalli, Y. Araiso, R. Ishitani, T. Umehara, D. Söll, O. Nureki. (2009). Pyrrolysyl-tRNA synthetase:tRNAPyl structure reveals the molecular basis of orthogonality Nature. 457 (7233): pag.: 1163–1167 DOI:10.1038/nature07611 PubMed: 19118381
20. G. Fournier. (2009). Horizontal gene transfer and the evolution of methanogenic pathways Methods in Molecular Biology (532): pag.: 163–179 – ISBN 978-1-60327-852-2 DOI:10.1007/978-1-60327-853-9_9 PubMed: 19271184
21. C. Polycarpo, A. Ambrogelly, A. Bérubé, S.M. Winbush, J.A. McCloskey, P.F. Crain, J.L. Wood, D. Söll. (2004). An aminoacyl-tRNA synthetase that specifically activates pyrrolysine Proc.Natl.Acad.Sci USA. 101 (34): pag.: 12450–12454 DOI:10.1073/pnas.0405362101 PubMed: 15314242
22. A. Mahapatra, G. Srinivasan, K.B. Richter, A. Meyer, T. Lienard, J.K. Zhang, G. Zhao, P.T. Kang, M. Chan, G. Gottschalk, W.W. Metcalf, J.A. Krzycki. (2007). Class I and class II lysyl-tRNA synthetase mutants and the genetic encoding of pyrrolysine in Methanosarcina spp Mol. Microbiol.. 64 (5): pag.: 1306–1318 DOI:10.1111/j.1365-2958.2007.05740.x PubMed: 17542922