Alteration of the catalytic properties of the epoxyalcohol synthase CYP443D1 (NvEAS) of the starlet sea anemone Nematostella vectensis as a result of a single amino acid substitution

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

Cytochromes of the P450 superfamily are widespread in nature; they were found in all studied aerobic organisms. Although the degree of similarity between cytochromes P450 of different families is low, all enzymes of this superfamily have similar tertiary structures. In addition, all cytochromes P450, including enzymes of the CYP74 clan, contain substrate recognition sites in their sequences, which form the catalytic center. Initially, CYP74 enzymes were discovered in plants, where they are widespread and play an important role in the lipoxygenase cascade. Later, CYP74-like enzymes of other families were identified in different taxa, including animals. Based on the results of phylogenetic studies, structures, and catalytic mechanisms, they were combined along with the CYP74 family into the CYP74 clan. One of the CYP74 clan enzymes is the epoxyalcohol synthase NvEAS (CYP443D1) of the starlet sea anemone Nematostella vectensis. A mutant form of NvEAS with a P93G substitution, that acquired additional hydroperoxide lyase activity, was obtained by site-directed mutagenesis. Before this work, only the results of site-directed mutagenesis of enzymes of the CYP74 family, but not of the CYP74 clan, were described. Moreover, in this work, the transformation of epoxyalcohol synthase into hydroperoxide lyase is described for the first time. These results confirm the previously stated assumption about the evolution of CYP74 enzymes, namely the epoxyalcohol synthase – hydroperoxide lyase – allene oxide synthase – divinyl ether synthase pathway.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

S. Gorina

Federal Research Center “Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics

Ресей, Kazan

N. Lantsova

Federal Research Center “Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics

Ресей, Kazan

Y. Toporkova

Federal Research Center “Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: kibmail@kibb.knc.ru

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics

Ресей, Kazan

A. Grechkin

Federal Research Center “Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics; Academician of the RAS

Ресей, Kazan

Әдебиет тізімі

  1. Blee, E. Phytooxylipins and plant defense reactions // Рrog. Lipid Res. 1998. Vol. 37. Р. 33–72.
  2. Savchenko, T.V., Zastrijnaja, O.M., and Klimov, V.V. Oxylipins and plant abiotic stress resistance // Biochemistry. 2014. Vol. 79. Р. 362–375.
  3. Howe, G.A. and Schilmiller, A.L. Oxylipin metabolism in response to stress // Curr. Opin. Plant Biol. 2002. Vol. 5. Р. 230–236.
  4. Deboever, E., Deleu, M., Mongrand, S., Lins, L., and Fauconnier, M.-L. Plant-pathogen interactions: underestimated roles of phyto-oxylipins // Trends Plant Sci. 2020. Vol. 25. Р. 22–34.
  5. Wasternack, C. and Feussner, I. The oxylipin pathways: biochemistry and function // Annu. Rev. Plant Biol. 2018. Vol. 69. Р. 363–386.
  6. Liavonchanka, A. and Feussner, I. Lipoxygenases: occurrence, functions and catalysis // J. Plant Physiol. 2006. Vol. 163. Р. 348–357.
  7. Feussner, I. and Wasternack, C. The lipoxygenase pathway // Annu Rev. Plant Biol. 2002. Vol. 53. Р. 275–297. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.53.100301.135248
  8. Werck-Reichhart, D. and Feyereisen, R. Cytochromes P450: a success story // Genome Biol. 2000. Vol. 6. Р. 1–7.
  9. Toporkova, Y.Y., Gorina, S.S., Bessolitsyna, E.K., Smirnova, E.O., Fatykhova, V.S., Brühlmann, F., Ilyina, T.M., Mukhtarova, L.S., and Grechkin, A.N. Double function hydroperoxide lyases/epoxyalcohol synthases (CYP74C) of higher plants: identification and conversion into allene oxide synthases by sitedirected mutagenesis // Biochim. Biophys. Acta. 2018. Vol. 1863(4). Р. 369–378.
  10. Nelson, D.R. Cytochrome P450 nomenclature, 2004 // Methods Mol. Biol. 2006. Vol. 320. Р. 1–10.
  11. Lee D.S., Nioche P., Hamberg M., and Raman C.S. Structural insights into the evolutionary paths of oxylipin biosynthetic enzymes // Nature. 2008. Vol. 455. Р. 363–370.
  12. Toporkova, Y.Y., Fatykhova, V.S., Gogolev, Y.V., Khairutdinov, B.I., Mukhtarova, L.S., and Grechkin, A.N. Epoxyalcohol synthase of Ectocarpus siliculosus. First CYP74-related enzyme of oxylipin biosynthesis in brown algae // Biochim. Biophys. Acta. 2017. Vol. 1862. Р. 167–175.
  13. Toporkova, Y.Y., Gorina, S.S., Mukhitova, F.K., Hamberg, M., Ilyina, T.M., Mukhtarova, L.S., and Grechkin, A.N. Identification of CYP443D1 (CYP74 clan) of Nematostella vectensis as a first cnidarian epoxyalcohol synthase and insights into its catalytic mechanism // Biochim. Biophys. Acta. 2017. Vol. 1862(10). Р. 1099–1109.
  14. Горина, С.С., Топоркова, Я.Ю., Мухтарова, Л.Ш., Гречкин, А.Н. Цитохром CYP443C1 (клан CYP74) актинии Nematostella vectensis – первый фермент Metazoa, проявляющий двойную активность гидропероксидлиазы/ эпоксиалкогольсинтазы // Доклады Академии наук. 2019. Т. 486(3). С. 384–388.
  15. Gotoh, O. Substrate recognition sites in cytochrome P450 family 2 (CYP2) proteins inferred from comparative analyses of amino acid and coding nucleotide sequences // J. Biol. Chem. 1992. Vol. 267. Р. 83–90.
  16. Toporkova, Y.Y., Gogolev, Y.V., Mukhtarova, L.S., and Grechkin, A.N. Determinants governing the CYP74 catalysis: conversion of allene oxide synthase into hydroperoxide lyase by site-directed mutagenesis // FEBS lett. 2008. Vol. 582(23-24). Р. 3423–3428.
  17. Toporkova, Y.Y., Smirnova, E.O., and Gorina, S.S. Epoxyalcohol synthase branch of lipoxygenase Cascade // Curr. Issues Mol. Biol. 2024. Vol. 46. Р. 821–841.
  18. Wilson, R.A., Gardner, H.W., and Keller, N.P. Cultivar-dependent expression of a maize lipoxygenase responsive to seed infesting fungi // Mol. Plant Microbe Iinteract. 2001. Vol. 14. Р. 980–987.
  19. Rzhetsky, A. and Nei, M. A simple method for estimating and testing minimum evolution trees // Mol. Biol. EVol. 1992. Vol. 9. Р. 945–967.
  20. Nei, M. and Kumar, S. Molecular Evolution and Phylogenetics, New York: Oxford University Press, 2000.
  21. Saitou, N. and Nei, M. The neighbor-joining method: A new method for reconstructing phylogenetic Trees // Mol. Biol. EVol. 1987. Vol. 4. Р. 406–425.
  22. Kumar, S., Stecher, G., and Tamura, K. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets // Mol. Biol. EVol. 2016. Vol. 33. Р. 1870–1874.
  23. Felsenstein, J. Confidence limits on phylogenies: An approach using the bootstrap // Evolution. 1985. Vol. 39. Р. 783–791.
  24. Meng, E.C., Goddard, T.D., Pettersen, E.F., Couch, G.S., Pearson, Z.J., Morris, J.H., and Ferrin, T.E. UCSF ChimeraX: Tools for structure building and analysis // Protein Sci. 2023. 32(11):e4792.
  25. Zoller, M.J. and Smith, M. Oligonucleotide-directed mutagenesis using M13-derived vectors: an efficient and general procedure for the production of point mutations in any fragment of DNA // Nucleic Acids Res. 1982. Vol. 10(20). Р. 6487–6500.
  26. Schenkman, J.B. and Jansson, I. Spectral analyses of cytochromes P450, Cytochrome P450 protocols. Humana Press, Totowa, NJ. 2006. Р. 11–18.
  27. Grechkin, A.N., Bruhlmann, F., Mukhtarova, L.S., Gogolev, Y.V., and Hamberg, M. Hydroperoxide lyases (CYP74C and CYP74B) catalyze the homolytic isomerization of fatty acid hydroperoxides into hemiacetals // Biochim. Biophys. Acta. 2006. Vol. 1761. Р. 1419–1428.
  28. Mukhtarova, L.S., Mukhitova, F.K., Gogolev, Y.V., and Grechkin, A.N. Hydroperoxide lyase cascade in pea seedlings: non-volatile oxylipins and their age and stress dependent alterations // Phytochemistry. 2011. Vol. 72. Р. 356–364.
  29. Mukhtarova, L.S., Bruhlmann, F., Hamberg, M., Khairutdinov, B.I., and Grechkin, A.N. Plant hydroperoxide-cleaving enzymes (CYP74 family) function as hemiacetal synthases: Structural proof of hemiacetals by NMR spectroscopy // Biochim. Biophys. Acta. 2018. Vol. 1863. Р. 1316–1322.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
2. Fig. 1. Phylogenetic tree of the CYP74 clan. Subfamilies are circled and designated by letters (A, B, C, etc.). Representatives of plant CYP74 enzymes: As, Allium sativum; AsDES, CYP74H1, GI:83414021; At, Arabidopsis thaliana; AtAOS, CYP74A1, GI:15239032; AtHPL, CYP74B2, GI:3822403; Ca, Capsicum annuum; CaHPL, CYP74B1, GI:1272340, CaDES, CYP74D4, GI: 107840369; Cm, Cucumis melo; CmHPL/EAS, CYP74C2, GI:14134199; Csa, Cucumis sativus; CsaHPL/EAS, CYP74C1_CS, GI: 101211324; CsaHPL/EAS/AOS, CYP74C31 GI:101211574; CsaHPL, CYP74B6, GI: 101223126; Csi, Camellia sinensis; CsiHPL, CYP74B24, SI: BAU24783.1; Dc, Daucus carota; CYP74B33, GI: 108219710; Hv, Hordeum vulgare; HvAOS2, CYP74A3, SI: AJ251304.1; HvHPL, CYP74F3, CAC82980.1; Kf, Klebsormidium flaccidum (green algae); KfAOS, SI: LC032459.1; Le, Lycopersicum esculentum; LeAOS1, CYP74A1, GI:7581989; LeAOS2, CYP74A2, GI:7677376; LeAOS3, CYP74C3, GI:25991603; LeHPL, CYP74B3, GI:7677378 LeDES, CYP74D4, GI: 543675; Lj, Lotus japonicus; LjHPL, CYP74B15, SI: AB600748.1; Lu, Linum usitatissimum; LuAOS, CYP74A1, GI:1352186; LuDES, CYP74B16, GI:379048766; Mp, Marchantia polymorpha; MpAOS1, SI:LC032457.1, MpAOS2, SI:LC032458.1; Mt, Medicago truncatula; MtHPL3, CYP74B5, GI:63081244; MtHPL1/EAS, CYP74C13_MT, GI:33504430; Nt, Nicotiana tabacum; NtDES, CYP74D3; GI: 107799697; Os, Oryza sativa; OsAOS, CYP74A4, GI:115455571; OsHPL1, CYP74E2, GI:115445057; OsHPL2, CYP74E1, GI:125538638; Pa, Parthenium argentatum; PaAOS, CYP74A1, GI:218511958; Pd, Prunus dulcis; PdHPL, CYP74C5, GI:33300600; Pg, Psidium guajava; PgHPL, CYP74B5, GI:13183137; Pp, Physcomitrella patens; PpAOS1, CYP74A1, GI:22217985; PpAOS2, CYP74A8, GI:168014176; PpHPL, CYP74G1, GI:76057841; Ra, Ranunculus acris; RaDES, CYP74Q1, GI:768564485; Rj, Ranunculus japonicus; RjEAS, CYP74A88, SI:MK061531; Sm, Selaginella moellendorffii; SmDES1, CYP74M1, GI:9660714; SmEAS, CYP74M2, GI: 9637471; SmDES2, CYP74M3, GI:9654395; St, Solanum tuberosum; StAOS2, CYP74A6, GI:86769479; StAOS3, CYP74C10, GI:56605358; StHPL/EAS, CYP74C4, GI:102588560; StDES, CYP74D2, GI:12667099; Vv, Vitis vinifera; VvHPL, CYP74B13, FJ861082; Zm, Zea mays; ZmAOS, CYP74A19, GI: 223947589; ZmHPL, CYP74F2, GI:162462890. Representatives of the CYP74 enzyme clan: Es, Ectocarpus siliculosus (brown algae); EsEAS, CYP5164B1, GI:1109557544; Mn, Methylobacterium nodulans (proteobacteria); MnHPL, SI:WP_015932840.1; Msp, Methylobacterium sp. 4–46; MspCYP74, SI:WP_012335549.1. Ap, Acropora palmata (Metazoa); ApAOS, GI:187948710; Bf, Branchiostoma floridae (Metazoa); BfEAS, CYP440A1, GI:189312561; Bb, Branchiostoma belcheri, BbEAS/AOS, CYP440A18, XP_019641998.1; Nv, N. vectensis (Metazoa); NvEAS CYP443D1, GI:5516222; NvHPL/EAS CYP443C1. Black circles indicate CYP74 enzymes for which site-directed mutagenesis experiments were performed [16]. The asterisk indicates NvEAS, the mutant form of which is described in this article.

Жүктеу (309KB)
3. Fig. 2. Superposition of the in silico modeled tertiary structures of wild-type NvEAS (blue) and its mutant form NvEAS P93G (light blue) relative to the X-ray structure of PaAOS (green). The site selected for substitution is circled in red; cysteine ​​residues (heme ligand) of the protein molecules are shown in yellow.

Жүктеу (436KB)
4. Fig. 3. Chromatograms of the separation of products (Me/TMS after reduction with NaBH4) of incubation of 9-HPOD with wild-type NvEAS (a) and the mutant form of NvEAS P93G (b). 1, 9,10-epoxy-11-hydroxy-12-octadecenoic acid; 2, 9-hydroxynonanoic acid; 3, 9,10-epoxy-13-hydroxy-11-octadecenoic acid.

Жүктеу (107KB)
5. Fig. 4. Scheme of switching mechanisms of catalytic action of GPL and EAS.

Жүктеу (135KB)

© Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».