Characterization of a topologically distinct microviridin-like modified peptide with multiple bicyclic core motifs

Abstract

Microviridin은 리보솜에서 합성된 후 번역 후 변형이 일어나는 펩타이드(RiPP)이며, 두 아미노산 곁사슬 사이에 오메가 에스터 결합이나 오메가 아마이드 결합이 있다는 점에서 특징적이다. 이러한 아미노산 곁사슬 사이의 결합으로 고리가 생성되는 펩타이드들은 다양한 구조를 가질 수 있다. 하지만 현재까지 밝혀진 대부분의 RiPPs 중에 microviridin만이 이러한 방식으로 변형이 일어나며, microviridin은 오직 하나의 보존된 펩타이드 서열과 다중 고리 구조를 가진다. 이번 연구에서는 mTgnA라고 하는 새로운 RiPP와 두 개의 mTgnA 상동 펩타이드들의 연결 구조를 밝힘으로써 microviridin와 유사하게 변형되는 펩타이드의 다양성을 넓혔다. 이 펩타이드들은 코어와 리더에 각각 TxxTxxxExxDxD 와 KPYxxxYxE 의 보존서열을 가지며, 코어 펩타이드는 같은 gene cluster에 속한 ATP-grasp enzyme에 의해서 독특한 이중 고리 구조로 바뀐다. 따라서 이러한 특징적인 고리 패턴에 기반하여, mTgnA와 mTgnA 상동 펩타이드들을 묶어서 thuringinin group이라고 정의하였다. Thuringinin group의 core motif의 고리 패턴은 에스터 결합을 풀 수 있는 화학 반응과 텐덤 질량분석기를 사용하여 쉽게 밝힐 수 있었다. 이러한 연결 구조를 형성하는 효소 반응은 순차적이며, 안쪽 고리가 먼저 생기고 그 다음에 바깥쪽 고리가 생긴다. 또한 이 반응은 반응에 참여하는 산성 아미노산의 종류에 선택적이다. 따라서, 이번 연구에서는 microviridin 유사 변형 펩타이드가 기존에 알고 있던 것보다 자연계에 훨씬 더 다양하게 존재한다는 것을 제시하였다. 또한 이 새로운 RiPP 의 집합을 오페가 에스터 결합 포함 펩타이드, omega-ester containing peptides (OEPs) 라고 명명할 것을 제시하였다.

Microviridins are ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) in which two ω-ester bonds and one ω-amide bond are formed between the side chains of the peptide residues. This type of the side-to-side cross-links can make cyclic peptides with diverse topology. However, the majority of currently found RiPPs modified with this microviridin-like modification are microviridins showing only a single consensus sequence and the unique tricyclic architecture. Here, I characterized new RiPPs called mTgnA and its homologs, revealing their cross-linking connectivity. They contain a novel consensus sequence of the core peptide, TxxTxxxExxDxD, and the leader peptide, KPYxxxYxE. By the cognate ATP-grasp enzyme, the core motif is modified into a distinct hairpin-like bicyclic structure with two ω-ester bonds. The systematic employment of the ester-specific reactions and the tandem mass spectrometry was a powerful approach to determine the cross-linking connectivity of the modified core motifs in mTgnA and its homologs. This distinct connectivity makes mTgnA and its homologous RiPPs as a new microviridin-like RiPPs group, named the thuringinin group. The cross-linking reaction proceeded from the inner to outer rings, and was selective for acidic amino acids. Therefore, in this study I expanded the natural diversity of the microviridn-like RiPPs and proposed to define this new RiPPs family as omega-ester containing peptides (OEPs).