Искусственные генетические системы. Том 1 - Патрушев Л.И.
Скачать (прямая ссылка):
В последнее время некоторые мутантные аналоги ферментов, обладающих повышенной стереоспецифичностью, активно внедряются в промышленное производство (табл. 14). В качестве заключительного примера, которым далеко не исчерпывается весь список современных достижений в этой области, можно упомянуть получение из природной D-специфической гидантоиназы с помощью мутагенеза и последующего отбора L-специфическо-го фермента, в настоящее время используемого для биосинтеза L-метионина [331].
Комбинаторная белковая инженерия в природе: ксенобиоз?
Успехи белковой инженерии, демонстрирующие возможность изменения субстратной специфичности ферментов путем замены одной или нескольких аминокислот с помощью рационального редизайна или эволюционных подходов, наводят на многочисленные размышления. В частности, возникает вопрос: почему изменения субстратной специфичности ферментов являются редким событием, а мутации в конкретном гене, как правило, сопровождаются ослаблением или потерей ферментативной активности вообще? В силу ограниченности наших знаний о структурно-функциональных взаимоотношениях в белках ответ на такой вопрос кажется очевидным: одиночные замены аминокислот в активном центре фермента или его окрестностях приводят к конформационным или иным изменениям полипептидной цепи, делающим активный центр нефункциональным в отношении своего природного субстрата.
Вероятно, на самом деле последствия таких мутационных замен аминокислот могут быть более значительными. Начнем с того, что внимание исследователей, изучающих свойства мутантных ферментов, как правило, целиком направлено на изучение влияния мутаций на его основную активность. При этом не учитывается возможность появления новой ферментативной активности, которая остается незамеченной просто потому, что исходно неизвестно, появления какой активности следует ожидать. А между тем при ближайшем рассмотрении такие последствия почти любой миссенс-мутации (точковой мутации, которая приводит к замене одного осмысленного кодона на другой) в структурной части гена, кодирующего полипептидную цепь, кажутся весьма вероятными. Действительно, в природе, по-видимому, не существует ферментов с абсолютной субстратной специфичностью, и полифункциональность является изначальным и фундаментальным свойством сложных полипептидов. Какой бы узкой ни была субстратная специфичность ферментов по отношению к природным субстратам, для них всегда можно синтезировать искусственные субстраты, расширяющие их субстратную специфичность. Полифункциональность описана для многих природных белков. Например, кристаллины (одни из основных белков хрусталика глаза позвоночных) у млекопитающих являются одновременно малым белком теплового шока неизвестной функ-
ции, у птиц и рептилий обладают активностью аргининосукци-натлиазы, другая же форма (8) у рыб и рептилий обладает лак-татдегидрогеназной активностью и является ДНК-связывающим белком. Изоформа кристаллинов т, характерная для рыб, птиц и рептилий, является одновременно а-энолазой и белком теплового шока. У гемоглобина - основного переносчика кислорода и углекислого газа животных - обнаружены анилингидроксилазная, каталазная и пероксидазная активности. Все вышеперечисленные активности гемоглобина, по-видимому, не имеют физиологического значения и могли возникнуть именно как побочные активности в процессе эволюционирования основной функции этого белка.
Еще более яркий пример такого рода демонстрируют абзимы (антитела, обладающие ферментативной активностью). Помимо хорошо известной гидролитической активности абзимов в отношении различных эфиров и кокаина описана их способность осуществлять синтез амидов, реакции стереоспецифической циклизации, перегруппировку Клайзена, приводящую к образованию префеновой кислоты из хоризмовой, а также ряд других реакций, которые уже были рассмотрены подробнее в разделе об абзимах (раздел 3.4.3).
Исходя из этого можно ожидать появления в организме человека и животных антител, обладающих самыми неожиданными ферментативными активностями, гены большей части которых элиминируются в процессе эмбрионального развития. Подтверждением данного предположения служит открытие в организме больных астмой аутоиммунных антител, специфически расщепляющих эндогенно образующийся пептидный гормон - вазоактивный кишечный пептид (VIP), а также аутоиммунного расщепления фактора VIII свертывания крови у больных гемофилией. По-видимому, по мере накопления экспериментальных данных число таких примеров будет увеличиваться. На скрытую потенциальную полифункциональность полипептидных цепей указывает также наличие у многих ферментов аллостерической регуляции, проявляющейся в различных формах, разная субстратная специфичность аллельных вариантов различных ферментов, а также изменение субстратной специфичности некоторых ферментов при изменении условий окружающей среды.
Таким образом, при ближайшем рассмотрении традиционное представление о ферментах как о высокоспецифических биологических катализаторах кажется упрощенным. Высокая специфичность ферментов проявляется лишь в определенных условиях внутренней среды организма, как одна из возможностей, де-
