Discovery of Cyclotide-Like Protein Sequences in Graminaceous Crop Plants: Ancestral Precursors of Circular Proteins?

Abstract

Cyclotides are peptides from plants of the Rubiaceae and Violaceae families that have the unusual characteristic of a macrocylic backbone. They are further characterized by their incorporation of a cystine knot in which two disulfides, along with the intervening backbone residues, form a ring through which a third disulfide is threaded. The cyclotides have been found in every Violaceae species screened to date but are apparently present in only a few Rubiaceae species. The selective distribution reported so far raises questions about the evolution of the cyclotides within the plant kingdom. In this study, we use a combined bioinformatics and expression analysis approach to elucidate the evolution and distribution of the cyclotides in the plant kingdom and report the discovery of related sequences widespread in the Poaceae family, including crop plants such as rice (Oryza sativa), maize (Zea mays), and wheat (Triticum aestivum), which carry considerable economic and social importance. The presence of cyclotide-like sequences within these plants suggests that the cyclotides may be derived from an ancestral gene of great antiquity. Quantitative RT-PCR was used to show that two of the discovered cyclotide-like genes from rice and barley (Hordeum vulgare) have tissue-specific expression patterns.

Discovery of Linear Cyclotides in Monocot Plant Panicum laxum of Poaceae Family Provides New Insights into Evolution and Distribution of Cyclotides in Plants

“…Existence of Linear Cyclotides in the Poaceae Family-Several cyclotide-like genes have been identified in various species of the Poaceae, but their expression at the protein level has yet to be proven (25). The isolation of eight novel linear cyclotides in P. laxum confirms their existence as expressed proteins and thus expands the distribution of linear cyclotides to a new plant family, the Poaceae of the monocot flowering plants.…”

Peptídeos cíclicos de biomassa vegetal: características, diversidade, biossíntese e atividades biológicas

“…22 Diferente dos peptídeos de cadeia aberta que apresentam livre rotação em torno da ligação amídica, os peptídeos cíclicos são rígidos e estáveis, tanto a degradação térmica quanto a enzimática. 23 A ciclização pode reduzir a flexibilidade de peptídeos e proteínas, o que confere a esses compostos uma maior afinidade na ligação com receptores, 24 e podem eliminar as extremidades N-e C-terminal que atuam como pontos de recocomo pontos de reconhecimento para o ataque de enzimas proteolíticas. 25,26 De fato, os fármacos desenvolvidos a partir de peptídeos lineares requerem em suas formulações, inibidores de proteases ou então modificações na composição de aminoácidos a fim de não serem reconhecidos por estas enzimas.…”

“…Baseado na similaridade das seqüências do ciclotídeos conhecidos mostrou-se que o nó de cisteína (CK) é comum a todo o grupo. 24 Esse modelo de CK presente nos ciclotí-deos caracteriza o grupo de CK-inibidores, diferindo daqueles onde o anel macrocíclico é penetrado pela ligação dissulfeto Cys I -Cys IV (CK-fatores de crescimento). 109 Fica patente que a construção do "nó de cistina" categoriza grupos distintos geométrica e topologicamente que não são sobreponíveis e com atividades biológicas distintas.…”

“…138 Entretanto, há pouco tempo foram identificados, em algumas espécies de Poaceae, seqüências de DNA para a expressão de proteínas circulares com altas taxas de identidade com os ciclotídeos. 24 Essa constatação cria um novo cenário para a distribuição e evolução dos ciclotídeos nas plantas superiores. Virtualmente, os ciclotídeos (ou seus genes codificadores) podem estar distribuídos de modo mais amplo do que originalmente previsto, sendo que abrange classes tão distintas e evolutivamente divergentes quanto dicotiledô-neas e monocotiledôneas.…”

“…Certamente, os genes codificadores para os ciclotídeos devem ter evoluído anteriormente à cisão e entre essas classes de angiospermas, 138 há mais de 150 milhões de anos na era Mesozóica, a partir de um gene ancestral em comum. 24 Atualmente a perspectiva de manipulação genética à luz da moderna biologia molecular inspira a construção de bibliotecas de genes para a prospecção de novos ciclotídeos planejados especificamente para certos receptores biológicos, seja com aplicação farmacêutica, agroquímica ou industrial. A relativa incompreensão dos mecanismos moleculares in vivo, durante a biossíntese dos ciclotídeos, torna a abordagem biotecnológica ainda incipiente.…”