Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1181210.32607/actanaturae.11812Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleBioinformatics-Structural Approach to the Search for New D-Amino Acid OxidasesБиоинформационно-структурный подход к поиску новых оксидаз D-аминокислотAtroshenkoDenis L.АтрошенкоДенис Леонидович
Russian Federation
atrdenis@gmail.comGolovinaDiana I.ГоловинаДиана Игоревна
Russian Federation
golovina.dii@gmail.comSergeevEgor P.СергеевЕгор Петрович
Russian Federation
egor.sergeev@chemistry.msu.ruShelomovMichail D.ШеломовМихаил Дмитриевич
Russian Federation
mikhail_shelomov@mail.ruElcheninovAlexander G.ЕльчениновАлександр Геннадьевич
Russian Federation
elcheninov.ag@gmail.comKublanovIlya V.КублановИлья Валерьевич
Russian Federation
kublanov.ilya@gmail.comChubarTatyana A.ЧубарьТатьяна Анатольевна
Russian Federation
tchubar@gmail.comPometunAnastaiya A.ПометунАнастасия Александровна
Russian Federation
aapometun@gmail.comSavinSvyatoslav S.СавинСвятослав Сергеевич
Russian Federation
savinslava@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6997-7229TishkovVladimir I.ТишковВладимир Иванович
Russian Federation

Distinguished Teacher of Russian Federation, Distinguished Professor, Professor of Biochemistry, Doctor of Sciences, Ph.D., Professor at the Department of Chemical Enzymology, Chemistry Faculty

почетный работник сферы образования РФ, заслуженный профессор, профессор, доктор химический наук, профессор кафедры химической энзимологии химического факультета, зав. лабораторией молекулярной инженерии

vitishkov@gmail.comDepartment of Chemistry, Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультетFederal Research Centre “Fundamentals of Biotechnology” of RASФедеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН2612202214457682709202221102022Copyright ©; 2023, Atroshenko D.L., Golovina D.I., Sergeev E.P., Shelonmov M., Elcheninov A.G., Kublanov I.V., Chubar T.A., Pometun A.A., Savin S.S., Tishkov V.I.Copyright ©; 2023, Атрошенко Д.Л., Головина Д.И., Сергеев Е.П., Шеломов М.Д., Ельченинов А.Г., Кубланов И.В., Чубарь Т.А., Пометун А.А., Савин С.С., Тишков В.И.2023Atroshenko D.L., Golovina D.I., Sergeev E.P., Shelonmov M., Elcheninov A.G., Kublanov I.V., Chubar T.A., Pometun A.A., Savin S.S., Tishkov V.I.Атрошенко Д.Л., Головина Д.И., Сергеев Е.П., Шеломов М.Д., Ельченинов А.Г., Кубланов И.В., Чубарь Т.А., Пометун А.А., Савин С.С., Тишков В.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11812

D-amino acid oxidase (DAAO, EC 1.2.1.2) plays an important role in the functioning of prokaryotes as well as of lower (yeast and fungi) and higher eukaryotes (mammals). DAAO genes have not yet been found in archaean genomes. D-amino acid oxidase is increasingly used in various fields, which requires the development of new variants of the enzyme with specific properties. However, even within one related group (bacteria, yeasts and fungi, mammals), DAAOs show very low homology between amino acid sequences. In particular, this fact is clearly observed in the case of DAAO from bacteria. The high variability in the primary structures of DAAO severely limits the search for new enzymes in known genomes. As a result, many (if not most) DAAO genes remain either unannotated or incorrectly annotated. We propose an approach that uses bioinformatic methods in combination with general 3D structure and active center structure analysis to confirm that the gene found encodes D-amino acid oxidase and to predict the possible type of its substrate specificity. Using a homology search, we obtained a set of candidate sequences, modelled the tertiary structure of the selected enzymes, and compared them with experimental and model structures of known DAAOs. The effectiveness of the proposed approach for discrimination of DAAOs and glycine oxidases is shown. Using this approach, new DAAO genes were found in the genomes of six strains of extremophilic bacteria, and for the first time in the world, one gene was identified in the genome of halophilic archaea. Preliminary experiments confirmed the predicted specificity of DAAO from Natronosporangium hydrolyticum ACPA39 with D-Leu and D-Phe.

Оксидаза D-аминокислот (DAAO, КФ 1.4.3.3) играет важную роль в жизни и прокариот, и эукариот – как низших (дрожжи и грибы), так и высших (млекопитающие). В геномах архей гены DAAO пока не найдены. При этом даже внутри одной группы организмов (бактерии, дрожжи и грибы, млекопитающие) DAAO характеризуются очень низкой гомологией аминокислотных последовательностей. Особенно это выражено у бактериальных DAAO. Высокая вариабельность первичных структур DAAO сильно ограничивает поиск генов новых ферментов в известных геномах. В результате многие гены DAAO (если не большинство) остаются или неаннотированными, или неправильно аннотированными. Нами предложен подход, в котором биоинформатические методы в сочетании с анализом общей структуры и структуры активного центра используются для подтверждения того, что найденный ген кодирует именно оксидазу D-аминокислот и предсказания возможного типа ее субстратной специфичности. С помощью поиска по гомологии получают набор кандидатных последовательностей, проводят моделирование третичной структуры отобранных ферментов и сравнивают их с экспериментальными и модельными структурами известных DAAO. Показана эффективность предложенного подхода для дискриминации DAAO и глициноксидаз. С использованием этого подхода в шести штаммах экстремофильных бактерий найдены гены новых DAAO, и впервые в мире один ген идентифицирован в геноме галофильных архей. Предварительные эксперименты подтвердили предсказанную специфичность DAAO из Natronosporangium hydrolyticum ACPA39 в отношении D-Leu и D-Phe.

D-amino acid oxidaseprimary structureternary structuremodellingAlphaFold 2glycine oxidasesоксидаза D-аминокислотпервичная структуратретичная структурамоделированиеAlphaFold 2глициноксидазаРоссийский фонд фундаментальных исследованийRussian Foundation for Basic Research21-34-70040 мол_а_мосМинистерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2021-1396Tishkov V.I., Khoronenkova S.V. // Biochemistry (Moscow). 2005. V. 70. № 1. P. 40–54. doi: 10.1007/s10541-005-0050-2Pollegioni L., Piubelli L., Sacchi S., Pilone M.S., Molla G. // Cell Mol. Life Sci. 2007. V. 64. P. 1373–1394. doi: 10.1007/s00018-007-6558-4Chumakov I., Blumenfeld M., Guerassimenko O., Cavarec L., Palicio M., Abderrahim H., Bougueleret L., Barry C., Tanaka H., La R.P., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. P. 13675–13680. doi: 10.1073/pnas.182412499Cheng Y.J., Lin C.H., Lane H.Y. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22(20). P. 10917. doi: 10.3390/ijms222010917Pernot P., Mothet J.P., Schuvailo O., Soldatkin A., Pollegioni L., Pilone M., Adeline M.T., Cespuglio R., Marinesco S. // Anal. Chem. 2008. V. 80. P. 1589–1597. doi: 10.1021/ac702230wKhoronenkova S.V., Tishkov V.I. // Biochemistry (Moscow). 2008. V. 73. P. 1511–1518. doi: 10.1134/s0006297908130105Pollegioni L., Molla G., Sacchi S., Rosini E., Verga R., Pilone M.S. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008. V. 78. P. 1–16. doi: 10.1007/s00253-007-1282-4Pollegioni L., Molla G. // Trends Biotechnol. 2011. V. 29. P. 276–283. doi: 10.1016/j.tibtech.2011.01.010Takahashi S., Abe K., Kera Y. // Bioengineered. 2015. V. 6. P. 237–241. doi: 10.1080/21655979.2015.1052917Pollegioni L., Caldinelli L., Molla G., Sacchi S., Pilone M.S. // Biotechnol. Prog. 2004. V. 20. P. 467–473. doi: 10.1021/bp034206qAtroshenko D.L., Shelomov M.D., Zarubina S.A., Negru N.Y., Golubev I.V., Savin S.S., Tishkov V.I. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. P. 4412. doi: 10.3390/ijms20184412Isogai T., Ono H., Ishitani Y., Kojo H., Ueda Y., Kohsaka M. // J. Biochem. 1990. V. 108. P. 1063–1069. doi: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123306Gonzalez F.J., Montes J., Martin F., Lopez M.C., Ferminan E., Catalan J., Galan M.A., Dominguez A. // Yeast. 1997. V. 13. P. 1399–1408. doi: 10.1002/(SICI)1097-0061(199712)13:15<1399Pollegioni L., Molla G., Campaner S., Martegani E., Pilone M.S. // J. Biotechnol. 1997. V. 58. P. 115–123. doi: 10.1016/s0168-1656(97)00142-9Klompmaker S.H., Kilic A., Baerends R.J., Veenhuis M., van der Klei I.J. // FEMS Yeast Res. 2010. V. 10. P. 708–716. doi: 10.1111/j.1567-1364.2010.00647.xYurimoto H., Hasegawa T., Sakai Y., Kato N. // Biosci. Biotechnol. Biochem. 2001. V. 65. P. 627–633. doi: 10.1271/bbb.65.627Shimekake Y., Furuichi T., Abe K., Kera Y., Takahashi S. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 11948. doi: 10.1038/s41598-019-48480-yAtroshenko D., Shelomov M., Zhgun A., Avdanina D., Eldarov M., Pometun A., Chubar T., Savin S., Tishkov V. // FEBS Open Bio. 2018. V. 8(S1). P. 190. doi: 10.1002/2211-5463.12453Jumper J., Hassabis D. // Nat. Methods. 2022. V. 19. P. 11–12. doi: 10.1038/s41592-021-01362-6Mirdita M., Schutze K., Moriwaki Y., Heo L., Ovchinnikov S., Steinegger M. // Nat. Methods. 2022. V. 19. P. 679–682. doi: 10.1038/s41592-022-01488-1Emsley P., Lohkamp B., Scott W.G., Cowtan K. // Acta Crystallogr. D. Biol. Crystallogr. 2010. V. 66. P. 486–501. doi: 10.1107/S0907444910007493Morris G.M., Huey R., Lindstrom W., Sanner M.F., Belew R.K., Goodsell D.S., Olson A.J. // J. Comput. Chem. 2009. V. 30. P. 2785–2791. doi: 10.1002/jcc.21256Santos-Martins D., Solis-Vasquez L., Tillack A.F. // J. Chem. Theory. Comput. 2021. V. 17. P. 1060–1073. doi: 10.1021/acs.jctc.0c01006Sorokin D.Y., Elcheninov A.G., Khijniak T.V., Zaharycheva A.P., Boueva O.V., Ariskina E.V., Bunk B., Sproer C., Evtushenko L.I., Kublanov I.V., Hahnke R.L. // Appl. Microbiol. 2022. V. 45. P. 126307. doi: 0.1128/AEM.02193-14Sorokin D.Y., Khijniak T.V., Zakharycheva A.P., Elcheninov A.G., Hahnke R.L., Boueva O.V., Ariskina E.V., Bunk B., Kublanov I.V., Evtushenko L.I. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2021. V. 71. P. 04804. doi: 10.1099/ijsem.0.004804Sorokin D.Y., Elcheninov A.G., Toshchakov S.V., Bale N.J., Sinninghe Damste J.S., Khijniak T.V., Kublanov I.V. // Appl. Microbiol. 2019. V. 42. P. 309–318. doi: 10.1016/j.syapm.2019.01.001Alekseeva A.A., Savin S.S., Tishkov V.I. // Acta Naturae. 2011. V. 3. P. 38–54. PMID: 22649703Tishkov V.I., Popov V.O. // Biochemistry (Moscow). 2004. V. 69. P. 1252–1267. doi: 10.1007/s10541-005-0071-x.Tishkov V.I., Popov V.O. // Biomol. Eng. 2006. V. 23. P. 89–110. doi: 10.1016/j.bioeng.2006.02.003Baker P.J., Britton K.L., Rice D.W., Rob A., Stillman T.J. // J. Mol. Biol. 1992. V. 228. P. 662–671. doi: 10.1016/0022-2836(92)90848-eRao S.T. Rossmann M.G. // J. Mol. Biol. 1973. V. 76. P. 241–256. doi: 10.1016/0022-2836(73)90388-4Tishkov V.I., Khoronenkova S.V., Cherskova, N.V., Savin S.S., Uporov I.V. // Moscow Univ. Chem. Bull. 2010. V. 65. № 3. P. 121–126. doi: 10.3103/S0027131410030028Jumper J., Evans R., Pritzel A., Green T., Figurnov M., Ronneberger O., Tunyasuvunakool K., Bates R., Zidek A., Potapenko A., et al. // Nature. 2021. V. 596. P. 583–589. doi: 10.1038/s41586-021-03819-2Pollegioni L., Sacchi S., Murtas G. // Front. Mol. Biosci. 2018. V. 5. P. 107. doi: 10.3389/fmolb.2018.00107