Биосинтез и формирование зрелых молекул лантибиотиков

Лантибиотики синтезируются на рибосомах в виде пептидов–предшественников и подвергаются интенсивной пострансляционной модификации [50]. Синтез лантибиотиков можно разделить на несколько основных этапов [51]:1)рибосомальный синтез; 2)дегидратация серина и треонина с образованием 2,3-дегидроаланина (Dha) и (Z)-2,3-дегидробутирина (Dhb), соответственно; 3)стереоселективное присоединение цистеина к дегидроаланину и дегидробутирину с образованием тиоэфирных колец лантионина (Lan) и β-метиллантионина (MeLan), соответственно;4)экспорт полностью модифицированного предшественника с помощью АВС-транспортера;5)протеолитическое отщепление лидерного пептида [52].

На рисунке 3 представлена схема биосинтеза низина [53]. Фермент NisA связывает N-конец, который называют лидерным пептидом. NisB и NisC катализируют формирование лактама. NisB образует дегидратазу, действующую на серин и треонин, NisC - циклазу, формирующую все тиоэфирные кольца [54, 55]. Лантиониновые мостики, формирующие кольцевые структуры, служат в качестве стабилизаторов конформации, важной для биологической активности и устойчивости лантибиотиков к протеазам. Удаление лидерного пептида от препептида катализируется ферментом NisР и является последней стадией процессинга [56]. Лидерный пептид имеет консервативную последовательность из 24-30 аминокислотных остатков и необходим для специфической адресации молекулы-предшественника, а также предотвращения активации внутри клетки [42].

В процессе созревания лактицина 481 фермент LctM катализирует обе реакции модификации препептида: дегидратацию серина и треонина и образование трех тиоэфирных циклов. Лидерный пептид отщепляется N-концевым доменом LctТ (АВС-транспортёра), который и экскретирует зрелый продукт. Конверсия препептидов лантибиотиков в зрелые молекулы требует энергии АТФ и Mg²⁺ [57].

Гены биосинтеза лантибиотиков организованы в кластеры. Помимо структурных генов пептидов имеются дополнительные гены, важные для проявления активности бактериоцинов. Эти гены кодируют разные функциональные белки [51]:

1) белки, которые включены в ряд модификаций: LanC осуществляет дегидратацию серина и треонина; LanB формирует тиоэфирные связи между дегидратированными аминокислотами и цистеином;

2) белки для выделения препептида из клетки - LanT;

3) иммунные белки, включенные в самозащиту, - LanI;

4) сериновую протеазу - LanР, которая удаляет лидирующую последовательность при выделении лантибиотика;

5) регуляторные белки.

Синтез молекул лантибиотиков обеспечивается структурным геном lan. Во многих случаях lanА является первым геном в опероне и кодирует молекулу-предшественник [42]. Гены, ответственные за модификацию (lanB, lanC, lanM, lanD и lanJ), процессинг (lanP и lanT), транспорт (lanT), иммунитет (lanI, lanEFG и lanH) и регуляцию (lanR, lanK, lanQ и lanX),локализованы рядом со структурным геном. Бактериоциногенные кластеры могут располагаться как на хромосоме, так и на плазмидах. Как правило, гены сенсорных и регуляторных белков транскрибируются совместно. В локусах, связанных с синтезом лантибиотиков, как правило, ген сенсорного белка следует за регуляторными генами. Ниже (рис. 4) приведены генные кластеры низина и лактицина 481 [51].

Транскрипция структурного гена nisA непосредственно регулируется секретируемой и полностью модифицированной молекулой низина посредством передачи сигнала двухкомпонентной регуляторной системой [58]. В данном случае низин является феромоном с антимикробными свойствами [59]. Индукция промотера гена nisA связана с продуктами генов nisR, кодирующих ответный регулятор и nisK - гистидин-киназу [60]. Концентрация низина, требуемая для индукции, менее 14 нг/мл. На первом этапе NisК реагирует на присутствие молекул низина в среде и автофосфорилируется в цитозоле. Затем фосфатная группа переносится на NisR, который является активатором транскрипции в синтезе низина. На третьем этапе предшественник модифицируется с помощью ферментов NisB и NisC, после чего транслоцируется через мембрану АВС-транспортером NisТ. Лидерный пептид отщепляется протеазой NisР [53].

Продукция лактицина 481 некоторыми штаммами L. lactis регулируется внеклеточным рН. Подкисление среды молочной кислотой стимулирует экспрессию с обоих промотеров [42].