Гидрофобин - Hydrophobin

Грибковый гидрофобин
Hydrophobin.png
Структура гидрофобина HFBII из Trichoderma reesei
Идентификаторы
СимволГидрофобин_2
PfamPF06766
ИнтерПроIPR010636
PROSITEPDOC00739
SCOP21r2м / Объем / СУПФАМ
OPM суперсемейство96
Белок OPM1r2м
Гидрофобин
Идентификаторы
СимволГидрофобин
PfamPF01185
ИнтерПроIPR001338

Гидрофобины группа небольших (~ 100 аминокислоты ) цистеин -богатые белки которые выражаются только нитчатые грибы лихенизированные или нет. Они известны своей способностью формировать гидрофобный (водоотталкивающее) покрытие на поверхности объекта.[1] Они были впервые обнаружены и разделены в Schizophyllum commune в 1991 г.[2] Основываясь на различиях в водолечение шаблоны и биофизический свойства, их можно разделить на две категории: класс I и класс II. Гидрофобины могут самоорганизовываться в монослой на гидрофильных: гидрофобных поверхностях, таких как вода: воздух. Монослой класса I содержит ту же структуру ядра, что и амилоидные фибриллы, и положительный по отношению к конго красному и тиофлавину T. Монослой, образованный гидрофобинами класса I, имеет высокоупорядоченную структуру и может быть диссоциирован только концентрированным трифторацетатом или муравьиной кислотой. Сборка монослоя включает большие структурные перестройки по отношению к мономеру.[3]

Грибы создавать сложные воздушные конструкции и споры даже в водной среде.

Гидрофобины были идентифицированы в лишайники[4] а также нелихенизированные аскомицеты и базидиомицеты; существуют ли они в других группах, неизвестно.[5] Гидрофобины обычно находятся на внешней поверхности конидии и из гиф стена, и может участвовать в опосредовании контакта и коммуникации между грибком и окружающей его средой.[6] Некоторые члены семьи содержат несколько копий домена.

Было обнаружено, что гидрофобины структурно и функционально подобны церато-платанины, другая группа небольших белков, богатых цистеином,[7] которые также содержат высокий процент гидрофобных аминокислот,[5] и также связаны с ростом гиф.[8][9]

Эта семейство белков включает стержень белки из Neurospora crassa (ген eas) и Emericella nidulans (ген RodA ) эти белки являются основным компонентом гидрофобной оболочки, покрывающей поверхность многих грибковые споры.[10][11]

Геномное секвенирование двух грибов из сухой или соленой среды (Валлемия себи и W. ихтиофага ) выявили, что эти виды содержат предсказанные гидрофобины с необычно высокой долей кислых аминокислот и, следовательно, с потенциально новыми характеристиками.[12] Считается, что высокая доля кислых аминокислот является адаптацией белков к высоким концентрациям соли.[13]

Структура

Гидрофобины характеризуются наличием 8 консервативных остатков цистеина, которые образуют 4 дисульфидные связи.[14] Они способны изменить смачиваемость поверхностей за счет спонтанной самосборки мономерных белков в амфипатический монослои на гидрофобных: гидрофильных поверхностях. Несмотря на эту общую черту, гидрофобины подразделяются на два класса на основе различий в их мономерной структуре, например расстояния между остатками цистеина, и на основе различных физико-химических свойств амфипатических монослоев, которые они образуют.[14][15] Обширный структурный анализ индивидуальных гидрофобинов из двух классов выявил, что морфологические и физические различия между полимерными формами класса I и класса II являются результатом значительных структурных различий на уровне сборки мономеров.

I класс

Гидрофобины класса I характеризуются довольно разнообразной аминокислотной последовательностью между разными типами (за исключением консервативных остатков цистеина), и по сравнению с классом II они имеют длинное и различное межцистеиновое расстояние.[16] Они образуют родлеты, которые считаются функциональными. амилоиды из-за их амилоидоподобных характеристик, как видно на дифракция рентгеновских лучей исследования и подтверждены их способностью связываться с амилоид-специфическими красителями, такими как Конго красный и Тиофлавин Т.[17] Формирование родлетов связано с конформационными изменениями.[18] которые приводят к образованию чрезвычайно прочного β-лист структура[19] которые можно деполимеризовать только обработкой сильными кислотами.[20] Роллеты могут спонтанно образовывать упорядоченные монослои путем латеральной сборки, демонстрируя правильную фибриллярную морфологию на гидрофобных: гидрофильных поверхностях.[21] Наиболее хорошо охарактеризованным гидрофобином I класса является EAS, который покрывает споры грибка Neurospora crassa с последующей характеристикой DewA из Aspergillus nidulans.[22]

II класс

Гидрофобины класса II имеют в целом более консервативную аминокислотную последовательность между различными типами и, в отличие от класса I, имеют короткие регулярные промежутки между цистеинами.[16] В отличие от класса I, монослой гидрофобинов класса II, образованный на гидрофобных: гидрофильных поверхностях, не является фибриллярным и не связан ни с образованием амилоидных структур, ни с большими конформационными изменениями.[21] Тем не менее, высокое разрешение атомно-силовая микроскопия исследования показали формирование заметного гексагонального повторяющегося рисунка на поверхностях, покрытых гидрофобином класса II HBFI, что означает, что эти белки также способны образовывать упорядоченную сеть в поверхностных пленках.[23]

Кристаллические структуры или HFBI и HFBII из Trichoderma reesei были первыми определенными гидрофобинами класса II.

Самосборка Родлета гидрофобинов I класса

Особый интерес представляет понимание механизма, лежащего в основе самосборки мономеров класса I, который приводит к образованию жестких, упорядоченных монослоев амфипатических родлетов из-за их внутренних свойств и из-за значительной информации, полученной в результате нескольких исследований характеристик гидрофобинов класса I EAS и DewA. . Эти механизмы были подробно изучены направленный мутагенез в попытке идентифицировать ключевые области аминокислотной последовательности, управляющие самосборкой родлеток. Модель мономерной формы EAS была предложена Kwan et al. (2006) из структурных данных, полученных из ЯМР-спектроскопия и эксперименты по дифракции рентгеновских лучей, которые указали на наличие четырехцепочечной антипараллельной β-цилиндрической основной структуры в EAS, которая позволяет мономеру связываться через основную цепь H-соединение.[17] Вокруг этого β-цилиндрического ядра есть вторичные элементы, такие как петли Cys3-Cys4 и Cys7-Cys8. Эта модель согласуется с амилоидоподобной структурой, которую образуют стержни класса I, в которой β-тяжи ориентированы перпендикулярно оси поперечного β-каркаса волокна.[24]

Сайт-направленный мутагенез из EAS дала понимание конкретных структурных изменений, ответственных за самосборку мономеров в родлеты и последующее образование амфипатического монослоя в гидрофобных: гидрофильных интерфейсах. Kwan et al. (2008) сообщили, что длинная гидрофобная петля Cys3-Cys4 не требуется для сборки стержней, потому что ее делеция не влияет на укладку и физические свойства мономерного белка, а также на морфологию формы полимерных стержней.[25] Вместо этого было обнаружено, что область короткой петли Cys7-Cys8, содержащая в основном незаряженные полярные остатки, является критической для сборки стержней.[14]

Характеристика вторичных элементов EAS, участвующих в сборке стержней, дала понимание механизма, лежащего в основе самосборки гидрофобинов класса I, но важные структурные различия с DewA, другим гидрофобином класса I, предполагают, что механизмы, приводящие в действие сборку стержней, различаются среди разных типов гидрофобинов. Как и EAS, DewA также имеет β-цилиндрическую структуру сердечника, но существенно отличается от нее из-за значительного содержания спиральных вторичных элементов.[26] Уникальной особенностью DewA является его способность существовать в виде двух типов конформеров в растворе, оба из которых способны образовывать сборки стержней, но с разной скоростью.[22] Несмотря на эти различия в структурных механизмах и механизмах самосборки, как EAS, так и DewA образуют надежные фибриллярные монослои, это означает, что должно существовать несколько путей, белковых последовательностей и третичных конформаций, способных самоорганизовываться в амфипатические монослои. Дальнейшее изучение EAS и DewA и их механизмов самосборки стержней откроет возможности для рационального дизайна гидрофобинов с новыми биотехнологическими приложениями.

Возможность использования

Начиная с самых первых исследований, которые дали представление о свойствах гидрофобинов, эти небольшие белки рассматривались как отличные кандидаты для технологического использования.[15] Детальное понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе самосборки гидрофобина в амфипатический монослой в гидрофобных: гидрофильных интерфейсах, представляет большой академический интерес, но в основном коммерческий. Это связано с тем, что глубокое понимание элементов, управляющих этими механизмами, позволит создавать гидрофобины (или другие биомолекулы) для нано- и биотехнологических приложений. Примером является то, что гидрофобиновое покрытие углеродные нанотрубки было обнаружено, что они увеличивают их растворимость и снижают их токсичность, открытие, которое увеличивает перспективы использования углеродных нанотрубок в качестве носителей для Доставка наркотиков.[27] Другие области потенциального использования гидрофобинов включают:

  • Производство и покрытие наноустройств и медицинских имплантатов для увеличения биосовместимость.
  • Эмульгаторы в пищевой промышленности и средствах личной гигиены.
  • Высокая стабильность гидрофобинов может быть очень полезна при покрытии поверхностей при длительном использовании или в суровых условиях.
  • Может быть желательной легкая диссоциация монослоя гидрофобина класса II, и этого легко можно добиться с помощью детергентов и спиртов.
  • Использование гидрофобинов в очистка белка,[28][29][30] Доставка наркотиков[31][32][33] и прикрепление клеток[34][35][36] было сообщено.

Подробнее о потенциальных биотехнологических применениях гидрофобинов см. Hektor & Scholtmeijer (2005).[37] и Cox & Hooley (2009).[38]

использованная литература

  1. ^ Sunde M, Kwan AH, Templeton MD, Beever RE, Mackay JP (октябрь 2008 г.). «Структурный анализ гидрофобинов». Микрон. 39 (7): 773–84. Дои:10.1016 / j.micron.2007.08.003. PMID  17875392.
  2. ^ Wessels J, De Vries O, Asgeirsdottir SA, Schuren F (август 1991 г.). «Гены гидрофобина, участвующие в формировании воздушных гиф и плодовых тел у Schizophyllum». Растительная клетка. 3 (8): 793–799. Дои:10.1105 / tpc.3.8.793. ЧВК  160046. PMID  12324614.
  3. ^ Моррис В.К., Линсер Р., Уайлд К.Л., Дафф А.П., Сунде М., Кван А.Х. (декабрь 2012 г.). «Твердотельная ЯМР-спектроскопия функционального амилоида из грибного гидрофобина: хорошо упорядоченное ядро ​​β-слоя среди структурной неоднородности». Angewandte Chemie. 51 (50): 12621–5. Дои:10.1002 / anie.201205625. HDL:11858 / 00-001M-0000-0018-A6D2-4. PMID  23125123.
  4. ^ Петер Дёббелер, Герхард Рамбольд (2004). Вклад в лихенологию. Gebrüder Borntraeger Verlagsbuchhandlung. п. 207.
  5. ^ а б Wösten HA (2001). «Гидрофобины: многоцелевые белки». Ежегодный обзор микробиологии. 55: 625–46. Дои:10.1146 / annurev.micro.55.1.625. HDL:1874/13610. PMID  11544369.
  6. ^ Whiteford JR, Spanu PD (апрель 2001 г.). «Гидрофобин HCf-1 Cladosporium fulvum необходим для эффективного водного диспергирования конидий». Грибковая генетика и биология. 32 (3): 159–68. Дои:10.1006 / fgbi.2001.1263. PMID  11343402.
  7. ^ Чен Х., Ковальчук А., Керио С., Асиегбу Ф.О. (20 января 2017 г.). «Распространение и биоинформатический анализ семейства белков цератоплатанинов в Дикарии». Микология. 105 (6): 1479–88. Дои:10.3852/13-115. PMID  23928425. S2CID  23984426.
  8. ^ Baccelli I, Comparini C, Bettini PP, Martellini F, Ruocco M, Pazzagli L, Bernardi R, Scala A (февраль 2012 г.). «Экспрессия гена цератоплатанина связана с ростом гиф и образованием хламидоспор у Ceratocystis platani». Письма о микробиологии FEMS. 327 (2): 155–63. Дои:10.1111 / j.1574-6968.2011.02475.x. PMID  22136757.
  9. ^ Wösten HA, van Wetter MA, Lugones LG, van der Mei HC, Busscher HJ, Wessels JG (январь 1999 г.). «Как грибок выходит из воды, чтобы вырасти в воздухе». Текущая биология. 9 (2): 85–8. Дои:10.1016 / S0960-9822 (99) 80019-0. PMID  10021365. S2CID  15134716.
  10. ^ Стрингер М.А., Дин Р.А., Сьюолл Т.С., Тимберлейк, WE (июль 1991 г.). «Rodletless, новый мутант развития Aspergillus, индуцированный направленной инактивацией гена». Гены и развитие. 5 (7): 1161–71. Дои:10.1101 / gad.5.7.1161. PMID  2065971.
  11. ^ Лаутер Ф. Р., Руссо В. Э., Яновский С. (декабрь 1992 г.). «Регуляция развития и световая регуляция eas, структурного гена стержневого белка Neurospora». Гены и развитие. 6 (12A): 2373–81. Дои:10.1101 / gad.6.12a.2373. PMID  1459459.
  12. ^ Zajc J, Liu Y, Dai W., Yang Z, Hu J, Gostinčar C., Gunde-Cimerman N (сентябрь 2013 г.). «Секвенирование генома и транскриптома галофильного гриба Wallemia ichthyophaga: галоадаптации присутствуют и отсутствуют». BMC Genomics. 14: 617. Дои:10.1186/1471-2164-14-617. ЧВК  3849046. PMID  24034603.
  13. ^ Мадерн Д., Эбель С., Закчай Г. (апрель 2000 г.). «Галофильная адаптация ферментов». Экстремофилов. 4 (2): 91–8. Дои:10.1007 / s007920050142. PMID  10805563. S2CID  32590023.
  14. ^ а б c Macindoe I, Kwan AH, Ren Q, Morris VK, Yang W, Mackay JP, Sunde M (апрель 2012 г.). «Самосборка функциональных амфипатических амилоидных монослоев с помощью грибкового гидрофобина EAS». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (14): E804–11. Дои:10.1073 / pnas.1114052109. ЧВК  3325668. PMID  22308366.
  15. ^ а б Wessels JG (сентябрь 1994 г.). «Регуляция развития формирования клеточной стенки грибов». Ежегодный обзор фитопатологии. 32 (1): 413–37. Дои:10.1146 / annurev.py.32.090194.002213.
  16. ^ а б Wessels JG (1997). «Гидрофобины: белки, изменяющие характер поверхности грибов». Достижения в микробной физиологии, том 38. Успехи микробной физиологии. 38. С. 1–45. Дои:10.1016 / S0065-2911 (08) 60154-X. ISBN  9780120277384. PMID  8922117.
  17. ^ а б Kwan AH, Winefield RD, Sunde M, Matthews JM, Haverkamp RG, Templeton MD, Mackay JP (март 2006 г.). «Структурная основа сборки родлеток в гидрофобинах грибов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (10): 3621–6. Bibcode:2006ПНАС..103.3621К. Дои:10.1073 / pnas.0505704103. ЧВК  1533775. PMID  16537446.
  18. ^ Эйхнер Т., Рэдфорд С.Е. (июль 2011 г.). «Разнообразие механизмов сборки общей амилоидной складки». Молекулярная клетка. 43 (1): 8–18. Дои:10.1016 / j.molcel.2011.05.012. PMID  21726806.
  19. ^ Бивер Р. Э., Редгуэлл Р. Дж., Демпси Г. П. (декабрь 1979 г.). «Очистка и химическая характеристика стержневого слоя конидий Neurospora crassa» (PDF). Журнал бактериологии. 140 (3): 1063–70. Дои:10.1128 / jb.140.3.1063-1070.1979. ЧВК  216753. PMID  160407.
  20. ^ de Vries OM, Fekkes MP, Wösten HA, Wessels JG (апрель 1993 г.). «Нерастворимые гидрофобиновые комплексы в стенках Schizophyllum commune и других мицелиальных грибов». Архив микробиологии. 159 (4): 330–5. Дои:10.1007 / BF00290915. S2CID  25891213.
  21. ^ а б Рен Кью, Кван А.Х., Сунде М. (ноябрь 2013 г.). «Две формы и два лица, несколько состояний и многоцелевое использование: свойства и применение самособирающихся грибных гидрофобинов». Биополимеры. 100 (6): 601–12. Дои:10.1002 / bip.22259. PMID  23913717.
  22. ^ а б Моррис В.К., Кван А.Х., Сунде М. (январь 2013 г.). «Анализ структуры и конформационных состояний DewA дает представление о сборке грибковых гидрофобинов». Журнал молекулярной биологии. 425 (2): 244–56. Дои:10.1016 / j.jmb.2012.10.021. PMID  23137797.
  23. ^ Сильвай Г.Р., Паананен А., Лаурикайнен К., Вуоримаа Э., Лемметинен Х., Пелтонен Дж., Линдер МБ (март 2007 г.). «Самоорганизующиеся гидрофобиновые белковые пленки на границе раздела воздух-вода: структурный анализ и молекулярная инженерия». Биохимия. 46 (9): 2345–54. Дои:10.1021 / bi602358h. PMID  17297923.
  24. ^ Sunde M, Serpell LC, Bartlam M, Fraser PE, Pepys MB, Blake CC (октябрь 1997 г.). «Общая структура ядра амилоидных фибрилл по данным синхротронной дифракции рентгеновских лучей». Журнал молекулярной биологии. 273 (3): 729–39. Дои:10.1006 / jmbi.1997.1348. PMID  9356260.
  25. ^ Кван А.Х., Макиндо И., Вукасин П.В., Моррис В.К., Касс И., Гупте Р., Марк А.Е., Темплтон, доктор медицины, Маккей Дж. П., Сунде М. (октябрь 2008 г.). «Петля Cys3-Cys4 гидрофобинового EAS не требуется для образования стержней и поверхностной активности». Журнал молекулярной биологии. 382 (3): 708–20. Дои:10.1016 / j.jmb.2008.07.034. PMID  18674544.
  26. ^ Моррис В.К., Кван А.Х., Маккей Дж. П., Сунде М. (апрель 2012 г.). «Назначение химических сдвигов ¹H, ¹³C и ¹⁵N в основной и боковой цепи гидрофобина DewA из Aspergillus nidulans». Назначение биомолекулярного ЯМР. 6 (1): 83–6. Дои:10.1007 / s12104-011-9330-5. PMID  21845363. S2CID  29402126.
  27. ^ Ян В., Рен Кью, Ву Ю.Н., Моррис В.К., Рей А.А., Брает Ф., Кван А.Х., Сунде М. (январь 2013 г.). «Поверхностная функционализация углеродных наноматериалов путем самоорганизации белков гидрофобина». Биополимеры. 99 (1): 84–94. Дои:10.1002 / bip.22146. PMID  23097233.
  28. ^ Linder MB, Qiao M, Laumen F, Selber K, Hyytiä T, Nakari-Setälä T, Penttilä ME (сентябрь 2004 г.). «Эффективная очистка рекомбинантных белков с использованием гидрофобинов в качестве меток в двухфазных системах на основе поверхностно-активных веществ». Биохимия. 43 (37): 11873–82. Дои:10.1021 / bi0488202. PMID  15362873.
  29. ^ Коллен А., Пенттила М., Столбранд Н., Тьернельд Ф., Вейде А. (январь 2002 г.). «Экстракция слитых белков эндоглюканазы I (Ce17B) из фильтрата культуры Trichoderma reesei в водной двухфазной системе поли (этиленгликоль) -фосфат». Журнал хроматографии А. 943 (1): 55–62. Дои:10.1016 / S0021-9673 (01) 01433-9. PMID  11820281.
  30. ^ Йоэнсуу Дж. Дж., Конли А. Дж., Лиенеманн М., Брандл Дж. Э., Линдер МБ, Менасса Р. (февраль 2010 г.). «Слитые гидрофобины для высокоуровневой временной экспрессии и очистки белка в Nicotiana benthamiana». Физиология растений. 152 (2): 622–33. Дои:10.1104 / pp.109.149021. ЧВК  2815860. PMID  20018596.
  31. ^ Haas Jimoh Akanbi M, Post E, Meter-Arkema A, Rink R, Robillard GT, Wang X, Wösten HA, Scholtmeijer K (февраль 2010 г.). «Использование гидрофобинов в составе нерастворимых в воде лекарственных средств для перорального применения». Коллоиды и поверхности. B, Биоинтерфейсы. 75 (2): 526–31. Дои:10.1016 / j.colsurfb.2009.09.030. PMID  19836932.
  32. ^ Бимбо Л.М., Сарпаранта М., Мякиля Е., Лааксонен Т., Лааксонен П., Салонен Дж., Линдер МБ, Хирвонен Дж., Айраксинен А.Дж., Сантос Г.А. (май 2012 г.). «Клеточные взаимодействия нанопористых частиц кремния с модифицированной поверхностью». Наномасштаб. 4 (10): 3184–92. Bibcode:2012Нано ... 4.3184B. Дои:10.1039 / c2nr30397c. PMID  22508528.
  33. ^ Сарпаранта М., Бимбо Л. М., Ритконен Дж., Мякиля Е., Лааксонен Т. Дж., Лааксонен П., Ниман М., Салонен Дж., Линдер М. Б., Хирвонен Дж., Сантос Х. А., Айраксинен А. Дж. (Март 2012 г.). «Внутривенная доставка функционализированных гидрофобином наночастиц пористого кремния: стабильность, адсорбция белков плазмы и биораспределение». Молекулярная фармацевтика. 9 (3): 654–63. Дои:10.1021 / mp200611d. PMID  22277076.
  34. ^ Накари-Сетяля Т., Азередо Дж., Энрикес М., Оливейра Р., Тейшейра Дж., Линдер М., Пенттила М. (июль 2002 г.). «Экспрессия грибкового гидрофобина в клеточной стенке Saccharomyces cerevisiae: влияние на свойства поверхности клетки и иммобилизация». Прикладная и экологическая микробиология. 68 (7): 3385–91. Дои:10.1128 / AEM.68.7.3385-3391.2002. ЧВК  126783. PMID  12089019.
  35. ^ Ню Б., Хуан Ю., Чжан С., Ван Д., Сюй Х, Конг Д., Цяо М. (май 2012 г.). «Экспрессия и характеристика гидрофобина HGFI, слитого с клеточно-специфическим пептидом TPS в Pichia pastoris». Экспрессия и очистка белков. 83 (1): 92–7. Дои:10.1016 / j.pep.2012.03.004. PMID  22440542.
  36. ^ Boeuf S, Throm T, Gutt B, Strunk T, Hoffmann M, Seebach E, Mühlberg L, Brocher J, Gotterbarm T, Wenzel W., Fischer R, Richter W. (март 2012 г.). «Разработка гидрофобина DewA для создания поверхностей, усиливающих адгезию человеческих, но не бактериальных клеток». Acta Biomaterialia. 8 (3): 1037–47. Дои:10.1016 / j.actbio.2011.11.022. PMID  22154865.
  37. ^ Hektor HJ, Scholtmeijer K (август 2005 г.). «Гидрофобины: белки с потенциалом». Текущее мнение в области биотехнологии. 16 (4): 434–9. Дои:10.1016 / j.copbio.2005.05.004. PMID  15950452.
  38. ^ Кокс П. У., Хули П. (февраль 2009 г.). «Гидрофобины: новые перспективы биотехнологии». Обзоры грибковой биологии. 23 (1–2): 40–7. Дои:10.1016 / j.fbr.2009.09.001. HDL:2436/117149.

дальнейшее чтение


Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR001338