Tissue-Specific Expression of Head-to-Tail Cyclized Miniproteins in Violaceae and Structure Determination of the Root CyclotideViola hederacearoot cyclotide1[W]

Abstract

The plant cyclotides are a family of 28 to 37 amino acid miniproteins characterized by their head-to-tail cyclized peptide backbone and six absolutely conserved Cys residues arranged in a cystine knot motif: two disulfide bonds and the connecting backbone segments form a loop that is penetrated by the third disulfide bond. This knotted disulfide arrangement, together with the cyclic peptide backbone, renders the cyclotides extremely stable against enzymatic digest as well as thermal degradation, making them interesting targets for both pharmaceutical and agrochemical applications. We have examined the expression patterns of these fascinating peptides in various Viola species (Violaceae). All tissue types examined contained complex mixtures of cyclotides, with individual profiles differing significantly. We provide evidence for at least 57 novel cyclotides present in a single Viola species (Viola hederacea). Furthermore, we have isolated one cyclotide expressed only in underground parts of V. hederacea and characterized its primary and three-dimensional structure. We propose that cyclotides constitute a new family of plant defense peptides, which might constitute an even larger and, in their biological function, more diverse family than the well-known plant defensins.

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

“…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. 110 No entanto, a peculiaridade estrutural observada nos ciclotídeos pode ser entendida com a manutenção da estrutura baseada na ciclização "cabeça-cauda" da cadeia polipeptídica, definindo o que Craik et al nomearam de "nó de cistina cíclico" (cyclic cystine knot-CCK -Figura 9). 32 Tais características conferem aos ciclotídeos maior estabilidade à degradação térmica, química e enzimática, tornando-os uma classe única e inédita na história da química de produtos naturais.…”

“…Baseado na análise da estrutura primária da cadeia polipeptídica dos ciclotídeos já descritos é possível 116 O alinhamento dos loops dos ciclotídeos conhecidos mostra graus variáveis de homologia de seqüência polipeptídica tanto dentro quanto entre as duas subfamílias. 102,110,117 Quando comparadas as sequências primárias dos ciclotídeos conhecidos para cada subfamília, registrase 80% de identidade para os ciclotídeos Möbius, enquanto que para o ciclotídeos Bracelet a identidade da cadeia polipeptídica é de aproximadamente 54% (Figura 10). Possivelmente, o elevado grau de conservação das seqüências primárias dos ciclotídeos sugere o envolvimento desses compostos nos mecanismos de defesa do vegetal contra o ataque de patógenos.…”

“…O potencial destes ciclopeptídeos para o desenvolvimento de fármacos, creditado aos ciclotídeos, é o que realmente desperta a atenção tanto da comunidade científica quanto da indústria farmacêutica. 110,118 Invariavelmente, para que toda a sorte de possibilidades para a exploração do potencial dos ciclotídeos como protótipos de fármacos seja acessível à criatividade científica, torna-se imperioso o entendimento dos mecanismos moleculares que regem a sua biossíntese.…”

“…106 De acordo com a hipótese acima exposta e aceita atualmente para descrever alguns pontos cruciais na ordem de desencadeamento dos eventos que ocorrem na via biossintética dos ciclotídeos, acredita-se que a formação das ligações dissulfeto seja anterior à clivagem dos ciclotídeos da preproteína precursora e da ciclização. 98,106,110 Entretanto, ambos os processos, excisão e ciclização, e as enzimas envolvidas em cada passo biossintéticos não foram, até o momento, identificados.…”

“…106 Tal distribuição ao longo do corpo vegetal sugere que certos ciclotídeos possam ter ação direcionada para determinados patógenos. 110 A distribuição dos ciclotídeos, embora restrita a duas famílias de Angiospermae (Violaceae e Rubiaceae) -filogeneticamente distantes 140 -apresentam os genes que os codificam altamente conservados. 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.…”