非リボソームペプチド

非リボソーム ペプチド

非リボソームペプチド（Nonribosomal peptide、略称: NRP）は、主に細菌や真菌といった微生物によって生産される二次代謝産物の一群です。これらのペプチドは、細胞内でタンパク質合成を担うリボソームを介さずに合成されるという点で、一般的なタンパク質やポリペプチドとは異なります。一部の高等生物、例えば裸鰓類などでもNRPが見つかることがありますが、これは生物そのものではなく、体表や体内に共生する微生物の働きによるものと考えられています。

合成機構

NRPの合成は、非リボソームペプチド合成酵素（Nonribosomal peptide synthetase、略称: NRPS）と呼ばれる巨大な多機能酵素によって触媒されます。リボソームがメッセンジャーRNA（mRNA）を設計図としてアミノ酸を繋げていくのに対し、NRPSは特定の分子構造を合成するためにあらかじめ「プログラム」されており、設計図となる核酸配列を必要としません。NRPSはしばしば、複数の機能を持つ「モジュール」が連なった、まるで分子サイズの組み立て工場のようなモデルで説明されます。このモジュール構造により、NRPSは様々なアミノ酸を取り込み、多様な反応を経てNRPを合成することが可能です。

構造の多様性

NRPは、リボソームで合成されるペプチドに比べて非常に多様な分子構造を持つことが大きな特徴です。線状構造だけでなく、環状構造や枝分かれした構造をとるものも多く見られます。また、タンパク質を構成する20種類の標準アミノ酸だけでなく、以下のような様々な修飾を受けた非標準アミノ酸を含むことも一般的です。

D-アミノ酸（L-アミノ酸の立体異性体）
N-、O-、S-メチル化
N-ホルミル化
グリコシル化（糖鎖の付加）
アシル化
ハロゲン化
ヒドロキシル化（水酸基の付加）

さらに、同じ配列のペプチドが複数結合して二量体や三量体を形成したり、ペプチド鎖が分子内で環状化したりすることもあります。合成過程でオキサゾリン環やチアゾリン環といった酸化還元可能な構造が導入されたり、セリンからデヒドロアラニンが生成されるような脱水素化が起こったりすることもあります。NRPSはこれらの他にも、多様な化学反応を触媒し、NRPの複雑な構造を作り出しています。

生合成プロセス

NRPは、単一または複数のNRPSによって合成されます。通常、NRPSをコードする遺伝子は、特定のNRPを合成するために必要な他の遺伝子と共に、ゲノム上でクラスターを形成しています。NRPSは、ペプチド鎖に取り込まれる個々のアミノ酸残基に対応する「モジュール」の集合体として機能します。

NRPSの構造単位：モジュールとドメイン

NRPSの各モジュールは、NRP合成に必要な様々な機能を持つ「ドメイン」と呼ばれるより小さな単位が集まって構成されています。主なドメインとその役割は以下の通りです。

Aドメイン（アデニル化部位）: アミノ酸を活性化し、ペプチド鎖に取り込むアミノ酸の種類を決定します。これはリボソーム合成におけるコドンの役割に相当します。
PCPドメイン（チオエステル化・ペプチド移動部位）: 活性化されたアミノ酸や伸長中のペプチド鎖を保持し、反応部位へと運搬します。このドメインは、4'-ホスホパンテテインと呼ばれる補欠分子族による翻訳後修飾が必要です。
Cドメイン（縮合部位）: ペプチド結合を形成し、伸長中のペプチド鎖に新たなアミノ酸を付加します。
TEドメイン（チオエステル分解酵素）: 合成が完了したペプチド鎖をPCPドメインから切り離します。環状構造を作るものも多いです。

この他に、アミノ酸をD体に変換するEドメイン（エピマー化部位）、環状構造を形成するCyドメイン（環化部位）、メチル基などを付加するMTドメイン（メチル化部位）、鎖の末端を還元するRドメイン（末端還元部位）など、多様な任意ドメインが存在し、NRPの構造的多様性に寄与しています。また、誤ったアミノ酸を除去するタイプII TEドメインや、NRPS間の相互作用に関わるCOMドメインなども知られています。

合成の段階

NRP合成は通常、以下の3段階を経て進行します。

1. 開始段階: 最初のモジュール（開始モジュール）のAドメインが、アミノ酸のカルボン酸をATPを用いて活性化します。活性化されたアミノ酸は、PCPドメインのチオール基にチオエステル結合として結合します。この際、必要に応じてホルミル化やメチル化などの修飾が行われることがあります。
2. 伸長段階: 各伸長モジュールのPCPドメインに結合したアミノ酸が、前のモジュールのPCPドメインに保持されている伸長中のペプチド鎖の末端に付加されます。このペプチド結合形成はCドメインによって触媒され、伸長したペプチド鎖は次のモジュールのPCPドメインへと受け渡されます。エピマー化ドメイン（Eドメイン）が存在すれば、この段階でL-アミノ酸がD-アミノ酸に変換されます。また、Cyドメインが関与することで環状構造が導入されることもあります。
3. 終結段階: 合成の最終段階では、終結モジュールに存在するTEドメインまたはRドメインが機能します。TEドメインは、ペプチド鎖とPCPドメイン間のチオエステル結合を加水分解または分子内反応によって切断し、鎖を放出します。多くのTEドメインは、この際にペプチド鎖を環状化する反応を触媒します。Rドメインの場合は、チオエステルを還元してアルデヒドやアルコールとしてペプチド鎖を切り出します。

合成されたNRPは、その後さらにグリコシル化、アシル化、ハロゲン化、ヒドロキシル化といった様々な酵素による修飾を受けることがあります。

ポリケチドとの関連

NRPSによるNRP合成機構は、ポリケチド合成酵素（Polyketide synthetase, PKS）によるポリケチド合成機構と類似点が多いことが知られています。このため、NRPSモジュールとPKSモジュールが組み合わさった融合酵素も存在し、ペプチドとポリケチドの構造を併せ持つ二次代謝産物も数多く存在します。これは、両酵素のPCPドメイン（PKSではACPドメインと呼ばれる）の構造が類似しているためと考えられています。

生理活性と応用

NRPは、自然界において多様な生理活性や薬理学的特性を持つ分子として広く分布しています。毒性を示すもの、鉄イオンと結合する親鉄性を持つもの、色素として機能するものなど様々です。その中でも、医療分野において特に注目されており、抗生物質（例: バシトラシン、バンコマイシン、ダプトマイシン）、細胞増殖抑制剤（例: エポシロン、ブレオマイシン）、免疫抑制剤（例: シクロスポリン）など、医薬品として利用されているものが多数あります。

具体例

バシトラシン（抗生物質）
バンコマイシン（抗生物質）
グラミシジン（抗生物質）
シクロスポリン（免疫抑制剤）
エンテロバクチン（親鉄剤）
ミクロシスチン（毒素）
α-アマニチン（毒素）

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