Kitinaasit ( EC 3.2.1.14 ) ovat entsyymejä , jotka katalysoivat kitiinin hajoamista, ja ne toimivat useimmiten endoentsyymeinä, pilkkoen irti kito-oligosakkarideja 2–6 N-asetyyliglukosamiinitähteen pituisia [1] . Kitinaasit kuuluvat O-glykosidisten hydrolaasien ryhmään , jotka katkaisevat glykosidisen sidoksen kahden tai useamman hiilihydraattitähteen tai hiilihydraatin ja ei-hiilihydraattikomponentin välillä. Tällaiset hydrolaasit ryhmitellään perheisiin niiden aminohapposekvenssin perusteella. Tällä hetkellä näitä entsyymejä tunnetaan 110 perhettä [2] , suurin osa kitinaaseista kuuluu GH18- ja GH19-perheisiin [3] , yksi (joka kuuluu Coleoptera Gastrophysa atrocyanea -lahkon hyönteiseen ) kuuluu GH48-perheeseen. Niiden tärkeimmät ominaisuudet on esitetty taulukossa 1.
Kaikki kitiiniä sisältävät organismit tuottavat kitinaaseja, joita ne todennäköisesti tarvitsevat soluseinän tai eksoskeleton morfogeneesiin [3] . Monet Bacillus- , Pseudomonas- ja Streptomyces - suvun bakteerilajit pystyvät käyttämään kitiiniä ainoana hiilenlähteenä kitinaasien erittymisen vuoksi [ 4] [5] [6] . Lisäksi monien organismien kitinaasien tuotanto on tärkeä suojatekijä altistumiselta erilaisille taudinaiheuttajille . Kitinaasit kuuluvat PR-3-proteiinien luokkaan [3] . Aminohapposekvenssinsä mukaan PR-3-proteiinit puolestaan jaetaan neljään luokkaan. Luokan I kitinaasit sisältävät kitiiniä sitovan heveiinin kaltaisen domeenin ja erittäin konservoituneen keskusalueen, joka on erotettu heveiinidomeenista sarana-alueella. Luokan II kitinaasit ovat samanlaisia kuin luokan I kitinaasit, mutta niistä puuttuu heveiinidomeeni . Luokan III kitinaasit eivät osoita merkittävää homologiaa muiden luokkien kitinaasien kanssa. Luokan IV kitinaasit ovat samanlaisia kuin luokan I kitinaasit, mutta merkittävät alueet puuttuvat tästä entsyymiluokasta .
Ominaisuudet | GH18-perheen kitinaasit | GH19-perheen kitinaasit | GH48-perheen kitinaasi [7] |
---|---|---|---|
Perhe, joka kuuluu glykosyylihydrolaasien klaaniin | GH-K | lähellä GH-I:tä | GH-M |
Leviäminen | Bakteerien , sienten , virusten , eläinten kitinaasit , luokan III ja IV kasvin kitinaasit | Luokan I, II ja IV kasvin kitinaasit , Streptomyces -kitinaasit | Kitinaasi, joka kuuluu hyönteislahkoon Coleoptera Gastrophysa atrocyanea |
Katalyyttisen domeenin rakenne | (β/α) 8 -tynnyri | Lysotsyymityyppi (α+β) | (α/α) 6 |
Glykosidisidosten hydrolyysi | Rakennetta säilyttävä [8] | Konformaatioinversiolla [ 9] | Konformationaalisella inversiolla |
Rikkoutunut side | GlcNAc-GlcNAc ja GlcNAc-GlcN [9] | GlcNAc-GlcNAc ja GlcN-GlcNAc [10] | — |
herkkyys estäjille | Herkkä allosamidiinille [11] | Epäherkkä allosamidiinille | — |
Kitinaasien ja kitinolyyttisten kompleksien luokittelussa tärkeä rooli on niin kutsutuilla kitiiniä sitovilla domeenilla (ChBD), jotka kuuluvat useisiin hiilihydraattia sitovien moduulien (CBM) perheisiin. Kitiiniä sitovia domeeneja sisältävien perheiden joukosta voidaan erottaa 4 pääasiallista: CBM12, CBM14, CBM18, CBM19 (katso taulukko 2).
CBM:t toimivat sideaineena erilaisille polysakkaridisubstraateille , jotka ovat usein veteen liukenemattomia. CBM:tä koodaavat sekvenssit voivat olla joko kitinaasigeenissä tai niillä voi olla oma ORF , jonka tuote on vastaava hiilihydraattia sitova proteiini [12] .
CBM perhe | Aminohappotähteiden lukumäärä | Rakenne | Leviäminen | Huomautuksia |
---|---|---|---|---|
CBM1 | ~40 | kysteiinisolmu | Hypocrea virensin mikromykeetin luokan III kitinaasi Cht1 | |
CBM2 | ~100 | β-voileipä | Sisältää bakteerientsyymejä | |
CBM5 | ~60 | Ainutlaatuinen | Sisältää bakteerientsyymejä | |
CBM12 | 40-60 | Ainutlaatuinen | Osana bakteerien entsyymejä. | Suurin osa perheen moduuleista kuuluu kitiinin sitomiseen |
CBM14 | ~70 | Ainutlaatuinen, sisältää heveinin kaltaisen sekvenssin | Hydroidipolyypit , sukkulamadot , äyriäiset , hämähäkit , hyönteiset , kefalohordaatit , luiset kalat , hiiri , ihminen | Perhe sisältää lukuisia kitiiniä sitovia domeeneja. Moduulit löydettiin, sekä kiinnittyneinä katalyyttiseen kitinaasidomeeniin että ne, jotka ovat osa proteiineja, joilla ei ole katalyyttistä toimintaa, eristetyssä tilassa (1 CBM on erillinen proteiini) tai osana useita toistoja |
CBM18 | ~40 | Hevein sekvenssi | Kasveja, sieniä | Suurin osa perheen moduuleista kuuluu kitiiniä sitoviin. Moduulit löydettiin, sekä kiinnittyneinä katalyyttiseen kitinaasidomeeniin että ne, jotka ovat osa proteiineja, joilla ei ole katalyyttistä toimintaa, eristetyssä tilassa (1 CBM on erillinen proteiini) tai osana useita toistoja |
CBM19 | 60-70 | — | Sienet (mukaan lukien hiiva Saccharomyces cerevisiae ) | Perheen moduuleille on ominaista vain kitiiniä sitova toiminto |
CBM33 | — | — | Serratia marcescens -bakteerin kitiiniä sitova proteiini | |
CBM37 | ~100 | — | Ruminococcus albus -bakteerin entsyymit | Kitiiniä sitova toiminto ei ole välttämätön |
Bakteerien kitiinin hajoamisprosessissa mukana on useita entsyymejä , jotka muodostavat kitinolyyttisen kompleksin. Depolymeraasit hajottavat kitiinin kito-oligosakkarideiksi , N-asetyyliglukosamiiniksi ja kitobioosiksi ; deasetylaasien toiminnan seurauksena muodostuu kitosaania . Kito-oligosakkaridit kuljetetaan sitten periplasmiseen tilaan , mahdollisesti spesifisten ulkokalvoporiinien kautta , missä ne pilkkoutuvat N-asetyyliglukosamiiniksi kitodekstrinaasien toimesta . Kitobioosi , joka tunkeutuu periplasmiseen tilaan epäspesifisten poriinien kautta , pilkkoutuu osittain N-asetyyliglukosamiiniksi periplasmisten N-asetyyliglukosaminidaasien toimesta ja kuljetetaan osittain solun sytoplasmaan , missä se pilkkoutuu sytoplasmisten N-asetyyliglukosaminidaasien vaikutuksesta muodostaen lisämäärän N-asetyyliglukosaminidaaseja. N-asetyyliglukosamiini puolestaan siirtyy peräkkäin sytoplasmaan ja osallistuu solujen aineenvaihduntaan [13] .
Kitinaaseja on löydetty valtavasta määrästä eläviä organismeja. Monet näistä, kuten hyönteiset , äyriäiset tai sienet , sisältävät kitiiniä ; muut - bakteerit , korkeammat kasvit , selkärankaiset - eivät sisällä kitiiniä .
Kaikki kitiiniä sisältävät organismit tuottavat kitinaaseja, joita ne todennäköisesti tarvitsevat soluseinän tai eksoskeleton morfogeneesiin [3] . Monet Bacillus- , Pseudomonas- ja Streptomyces -suvun bakteerilajit pystyvät käyttämään kitiiniä ainoana hiilenlähteenä kitinaasien erittymisen vuoksi [4] [5] . Lisäksi monien organismien kitinaasien tuotanto on tärkeä suojatekijä altistumiselta erilaisille taudinaiheuttajille .
Niveljalkaisilla kitinaasit osallistuvat sulamis- ja ruoansulatusprosesseihin . Kitiinin hydrolyysituotteet osallistuvat pääsääntöisesti uuden kynsinauhan synteesiin [14] . Bartnicki-Garcian (1973) [15] ehdottama sienen soluseinän kasvumalli ehdottaa lyyttisten entsyymien roolia soluseinän synteesin ja hajoamisen välisen tasapainon ylläpitämisessä apikaalisen rihmaston kasvun aikana . Todisteita kitinaasien ja kitiinisyntaasien yhteistoiminnasta saatiin, kun havaittiin näiden entsyymien aktiivisuus Mucor mucedon [16] itiöiden itämisprosesseissa , Mucor rouxii [17] ja Candida albicans [18 ] eksponentiaalisessa kasvussa. ] , sekä sekä kitinaasi- että kitiinisyntaasiaktiivisuuden havaitseminen samassa fraktiossa, joka on eristetty M. mucedon soluseinästä [ 19] . Sahai et ai. (1993) [20] osoittivat, että kitinaaseja esiintyy itiöiden turpoamisen ja itämisen , itiöiden muodostumisen aikana sekä mekaanisten vaurioiden aikana Choanephora cucurbitarumissa ja muissa zygomykeeteissa .
Kitinaasien toiminnan ansiosta autolyysiprosessi tapahtuu Corpinus lagopusin kypsissä hedelmäkappaleissa . Kitinolyyttiset entsyymit havaitaan pian itiöiden vapautumisen alkamisen jälkeen . Muiden lyyttisten entsyymien ohella kitinaaseja löytyy vakuoleista ; niiden tehtävä solunsisäisessä ruuansulatuksessa ei ole selvä. Entsyymiaktiivisuus ilmenee vähän ennen kalvolevyjen autolyysin alkamista [ 21] . Kun metabolinen aktiivisuus hidastuu vanhenevissa soluissa, kitinaasi siirtyy passiivisesti soluseinään . On osoitettu, että monet autolyysiprosessiin osallistuvat entsyymit , mukaan lukien kitinaasit, sitoutuvat Neurospora crassan ja Aspergillus nidulansin subapikaalisiin seinämiin [22] . Nämä tiedot viittaavat siihen, että kitinaasit osallistuvat hyfien haarautumisprosessiin . Sienikitinaaseilla on siis tärkeä rooli prosesseissa, kuten apikaalisessa kasvussa, itiöiden turpoamisessa ja itämisessä , itiöiden vapautumisessa , solujen jakautumisessa ja myseelien haarautumisessa [23] .
Huomattavan kiinnostava on mahdollisuus käyttää näitä entsyymejä suojaavina aineina kitiiniä sisältäviä patogeenisiä organismeja, kuten sieniä ja hyönteisiä , vastaan . Resistenssi taudinaiheuttajille voidaan saavuttaa hajottamalla niiden elintärkeitä rakenteita, kuten peritrofista kalvoa tai hyönteisten kynsinauhoa , sienen soluseinämää tai vapauttamalla suojavasteen aiheuttavia aineita jonkin verran myöhemmin [24] .
Ensimmäiset tutkimukset bakteerien kitinolyyttisista entsyymeistä mahdollisena antagonismin tekijänä juontavat juurensa 1960-luvun alkupuolelle, jolloin julkaistiin useita tutkimuksia Bacillus- ja Pseudomonas -sukujen maaperän kitinolyyttisten bakteerien antifungaalisesta vaikutuksesta [25] [26] . On havaittu, että bakteerikitinaasit voivat tuhota sienen soluseinän , joka sisältää kitiiniä päärakennekomponenttina. Myöhemmät kokeet, joissa käytettiin puhdistettuja kitinaaseja, kitinaasinegatiivisia mutantteja ja kitinaasipositiivisia transformantteja, osoittivat selvästi kitinaasien osallisuuden mykolyysissä [27] [28] [29] [30] . Tähän mennessä on osoitettu, että sienihyfien päätyosat ovat erityisen herkkiä bakteerikitinaasien vaikutukselle , koska juuri näissä rihmaston osissa kitiinikuituja syntetisoidaan [31] .
Bakteerikitinaasien todellinen rooli mykolyyttisessä prosessissa ei kuitenkaan ole täysin selvä. Todettiin, että mekanismia, jolla kitinaasien aiheuttama sienen kasvun esto suoritetaan, ei suinkaan aina toteuteta niiden kitinolyyttisen aktiivisuuden vuoksi. Tässä suhteessa on huomionarvoista, että perheeseen 18 kuuluvilla bakteerikitinaaseilla ei ole antifungaalista aktiivisuutta. Lisäksi ei ole täysin selvää, liittyykö kitinaasien rakenteen tai entsymaattisen aktiivisuuden ero niiden mahdolliseen antifungaaliseen aktiivisuuteen. Monet tutkimukset, joissa käytettiin indusoitua mutageneesiä , jotka oli suunniteltu vahvistamaan kitinaasin antifungaalisen aktiivisuuden yleiset ominaisuudet, eivät paljastaneet mitään selvää mallia. Siten kastanjansiementen luokan I mutanttikitinaasit, joilla ei ollut kitinolyyttistä aktiivisuutta, osoittivat voimakkaampaa antifungaalista aktiivisuutta kuin villityypin kitinaasit [32] . Tupakkaluokan I kitinaasien antifungaalinen aktiivisuus oli kolme kertaa suurempi kitiiiniä sitovan domeenin läsnä ollessa [8] . Nämä tulokset osoittivat, että suuri rooli antifungaalisessa aktiivisuudessa kuuluu kitiinin sitoutumisaktiivisuuteen, ei kitinaasiaktiivisuuteen. Sitä vastoin rukiin luokan I kitinaasin kitiiniä sitova domeeni ei osoittanut minkäänlaista antifungaalista aktiivisuutta, kun taas saman kitinaasin katalyyttisen domeenin läsnäolo johti kontrollisienipatogeenin kasvun estoon [33] . Andersenin et al. (1997) [34] käyttivät mutanttia ohran luokan II kitinaasia , jolta puuttui kitinolyyttinen aktiivisuus, ja osoittivat, että antifungaalinen aktiivisuus laski 85 % verrattuna villityyppiin. Kitinaaseilla, joilla on kitiiniä sitova domeeni (luokat I ja II), on antifungaalinen mekanismi, joka eroaa kitinaaseista, joista tämä domeeni puuttuu. Kun kitiiniä sitova domeeni on ehjä, antifungaalinen vaikutus tapahtuu pääasiassa entsyymin kitiinin sitoutumisen vuoksi [3] .
Lisäksi bakteerit tarvitsevat muita tekijöitä sienirihmaston hajoamiseen [ 26] . Lukuisten in vitro -kokeiden [35] [36] tuloksena osoitettiin, että maaperän bakteerit eroavat merkittävästi mykolyyttisistä ominaisuuksistaan. De Boer et ai. (1998) [35] ehdottivat, että niin laaja valikoima eroja voitaisiin selittää antibioottien osallistumisella mykolyysiin . Bakteerit tuottavat yleensä useita endo- ja eksokitinaaseja. Roberts ja Selitrennikov (1988) [37] havaitsivat, että endokitinaaseilla on voimakkaampi vaikutus myseelien kasvuun kuin eksokitinaaseilla. Suurin antifungaalinen vaikutus saavutettiin kuitenkin kompleksin vaikutuksesta, joka sisälsi sekä endo- että eksokitinaaseja.
Kitinolyyttisten bakteerien suorittaman mykolyysiilmiön havaitseminen sai aikaan tämän prosessin lisätutkimuksia tällaisten kantojen mahdollisen käytön kasvinsuojelussa . Ritsosfääribakteerit ovat tulleet tällaisten tutkimusten näköalaan, koska ne ovat paremmin sopeutuneet ympäristöolosuhteisiin, joissa fytopatogeeniset sienet saastuttavat kasvien juuria .
Useat tutkijat ovat osoittaneet, että in vitro -olosuhteissa havaitut kannat , joilla on antifungaalinen vaikutus , vähentävät kasvitautien oireita kasvihuoneolosuhteissa [31] [38] [39] . Tällaisten kantojen käyttö kentällä osoittautui kuitenkin paljon vähemmän menestyksekkääksi [40] . Tämän ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan lisätietoja kitinaasia tuottavien bakteerien ekologisesta toiminnasta ja niiden mykolyyttisen aktiivisuuden roolista luonnollisissa olosuhteissa.
Jopa sienimyrkkyjen intensiivisellä käytöllä kasvipatogeenisten sienten aiheuttamat viljelykasvien satohäviöt ovat 15 % [23] . Siksi kaikki ratkaisut, jotka johtavat tämän ongelman seurausten vähentämiseen, ovat harkitsemisen arvoisia. samalla se vähentää torjunta -aineiden nykyistä laajaa käyttöä . Monien sienten aiheuttamien kasvitautien biotorjunta korreloi kitinaasien tuotannon kanssa. Siten kitinaaseja ja (tai) glukanaaseja tuottavat bakteerit osoittavat in vitro antagonismia sieniä vastaan [41] [42] , kun taas kasvien kitinaasit ja streptomykeettikitinaasit yhdessä β-(1,3)-glukanaasien kanssa estävät sienten kasvua ja tuhoavat niiden soluseinä [43] . Kitinaasiaktiivisuuden merkitys on osoitettu myös käyttämällä bakteerikantoja , joilta mutaatioiden vuoksi puuttuu kyky tuottaa kitinaaseja. Esimerkiksi Enterobacter agglomerans Tn 5 -mutantti , jolta puuttuu kitinolyyttinen aktiivisuus, ei pysty toimimaan antagonistikanta puuvillan suojaamiseksi, ja chiA-geenin ilmentyminen aiheuttaa endokitinaasien tuotannon transformoidussa E. coli -kannassa (Migula), mikä mahdollistaa Tämä kanta estää Rhizoctonia solanin kasvua puuvillan siemenillä. Samanlainen tekniikka, jossa käytettiin Tn5:n insertiota transposonimutageneesin aikana, osoitti Stenotrophomonas maltophila W81:n solunulkoisten proteaasien roolin sokerijuurikkaan suojaamisessa Pythium ultimum -bakteerilta . Mahdollisten biotorjunta-aineiden tuotanto voidaan saavuttaa käyttämällä geenitekniikan tekniikoita. Rekombinantti E. coli -kanta , joka ekspressoi S. marcescensin chiA -geeniä , torjui tehokkaasti Sclerotium rolfsiin ja R. solanin aiheuttamia sairauksia [44] [45] . Sundheim [27] [46] ja Sitrit et ai. (1993) [47] osoittivat, että S. marcescensin kitinaasigeeni ilmentyi Pseudomonas sp. ja kasvisymbiontissa Rhizobium meliloti . Modifioitu Pseudomonas - kanta osoitti antagonistista aktiivisuutta patogeenejä , kuten F. oxysporum ja Gauemannomyces graminis , vastaan . Sinimailasen juurien kanssa symbioosissa olevan siirtogeenisen Rhizobium - kannan antifungaalinen aktiivisuus vahvistaa R. solani hyphaen kärkien hajoaminen kyhmyuutteen avulla.
Lupaava suunta on mykoloisten käyttö biotorjuntaan. Tutkituimpia mykoparasiitteja ovat erilaiset Trichoderma -lajit sekä Gliocladium virens . Ampelomyces quisqualis , Coniothyrium minitans , Laetisaria arvalis , Pythium nunn , Talaromyces flavus ja Sporidesmium sclerotivorum on myös kuvattu mahdollisina antagonisteina [48] [49] [50] .
Hydrolaasit ( EC 3): glykosyylihydrolaasit ( EC 3.2.1) | |
---|---|
|