Лизин
Лизоцимоподобный фаговый лизин
Кристаллическая структура модульного эндолизина CPL-1 из фага Streptococcus Cp-1 в комплексе с аналогом пептидогликана. Запись PDB 2j8g . [1]
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.17
Номер CAS9001-63-2
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Лизины , также известные как эндолизины или муреин-гидролазы , являются гидролитическими ферментами, вырабатываемыми бактериофагами для расщепления клеточной стенки хозяина на заключительном этапе литического цикла . Лизины являются высокоразвитыми ферментами, которые способны воздействовать на одну из пяти связей в пептидогликане (муреине), основном компоненте клеточных стенок бактерий, что позволяет высвобождать вирионы потомства из лизированной клетки. Археи , содержащие клеточную стенку, также лизируются специализированными лизинами, расщепляющими псевдомуреин , [2], в то время как большинство вирусов архей используют альтернативные механизмы. [3] Аналогично, не все бактериофаги синтезируют лизины: некоторые небольшие одноцепочечные ДНК- и РНК-фаги вырабатывают мембранные белки, которые активируют аутолитические механизмы хозяина, такие как аутолизины . [4]

Лизины были впервые использованы в терапевтических целях в 2001 году в лаборатории Фишетти (см. ниже) и в настоящее время используются в качестве антибактериальных средств из-за их высокой эффективности и специфичности по сравнению с антибиотиками , которые подвержены бактериальной резистентности. [5] Поскольку лизины необходимы для выживания бактериофагов, резистентность к лизинам является чрезвычайно редким явлением. За более чем 20 лет разработки лизинов в качестве терапевтических средств резистентность не наблюдалась, даже когда резистентность была вызвана экспериментами по мутагенезу.

Структура

Лизины двухцепочечных фагов ДНК, как правило, лежат в диапазоне от 25 до 40 кДа по размеру. Заметным исключением является эндолизин стрептококка PlyC, который составляет 114 кДа. PlyC не только самый большой и самый мощный лизин, но и структурно уникальный, поскольку он состоит из двух различных генных продуктов, PlyCA и PlyCB, с соотношением восемь субъединиц PlyCB для каждого PlyCA в его активной конформации. [6]

Все остальные лизины являются мономерными и состоят из двух доменов, разделенных короткой линкерной областью. Для лизинов грамположительных бактерий N-концевой домен катализирует гидролиз пептидогликана, тогда как C-концевой домен связывается с субстратом клеточной стенки.

Каталитический домен

Каталитический домен отвечает за расщепление связей пептидогликана. Функционально можно выделить пять типов каталитического домена лизина:

Пептидогликан состоит из сшитых аминокислот и сахаров, которые образуют чередующиеся аминосахара: N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовую кислоту (NAM). Эндо-β-N-ацетилглюкозаминидазные лизины расщепляют NAG, в то время как N-ацетилмурамидазные лизины (лизоцимоподобные лизины) расщепляют NAM. Эндопептидазные лизины расщепляют любую из пептидных связей между аминокислотами, тогда как N-ацетилмурамоил-L-аланинамидазные лизины (или просто амидазные лизины) гидролизуют амидную связь между сахаром и аминокислотными фрагментами. Наконец, недавно обнаруженные γ-d-глутаминил-L-лизиновые эндопептидазные лизины расщепляют гамма-связь между остатками D-глутамина и L-лизина. Как и в случае с аутолизинами , ранняя путаница относительно специфичности расщепления этих отдельных ферментов привела к некоторым ошибочным приписываниям названия «лизоцим» белкам без этой активности. [7]

Обычно два или более различных каталитических домена связаны с одним доменом связывания клеток. Это типично для многих стафилококковых лизинов, а также для стрептококкового голофермента PlyC, который содержит два каталитических домена. [6] [8] Каталитические домены высококонсервативны в фаговых лизинах того же класса. [5]

Домен, связывающий клетки

Домен связывания клеток (CBD) связывается со специфическим субстратом, обнаруженным в клеточной стенке бактерии-хозяина, обычно углеводом. В отличие от каталитического домена, домен связывания клеток является изменчивым, что обеспечивает большую специфичность и снижает бактериальную резистентность. [9] Сродство связывания с субстратом клеточной стенки, как правило, высокое, возможно, для того, чтобы изолировать на фрагментах клеточной стенки любой свободный фермент, который мог бы конкурировать с потомством фага, заражая соседние бактерии-хозяева. [10]

Эволюция

Было высказано предположение, что основным механизмом эволюции фаговых лизинов является обмен модульными единицами, процесс, посредством которого различные каталитические и связывающие клетки домены менялись местами между лизинами, что приводило к новым комбинациям как бактериальной связывающей, так и каталитической специфичности. [11]

Способ действия

Каталитический домен лизина локально переваривает пептидогликан с высокой скоростью, что приводит к образованию отверстий в клеточной стенке. Поскольку сшитая клеточная стенка пептидогликана является единственным механизмом, который предотвращает спонтанный взрыв бактериальных клеток из-за высокого внутреннего давления (от 3 до 5 атмосфер), ферментативное переваривание лизинами необратимо вызывает гипотонический лизис. Теоретически, из-за каталитических свойств фаговых лизинов, одного фермента было бы достаточно, чтобы убить бактерию-хозяина, расщепляя необходимое количество связей, хотя это еще предстоит доказать. [5] Работа Лёсснера и др. предполагает, что расщепление обычно достигается совместным действием нескольких молекул лизина в локальной области клеточной стенки хозяина. [10] Высокая аффинность связывания с субстратом клеточной стенки (близкая к таковой IgG для своего субстрата) каждого лизина, по-видимому, является причиной того, почему требуется несколько молекул, поскольку каждый лизин настолько прочно связывается с клеточной стенкой, что он не может разорвать достаточно связей, чтобы вызвать лизис самостоятельно. [10]

Чтобы достичь клеточной стенки, фаговые лизины должны пересечь клеточную мембрану. Однако у них обычно отсутствует сигнальный пептид , который позволил бы им это сделать. Чтобы решить эту проблему, фаговые вирусы синтезируют другой белок, называемый холином , который связывается с клеточной мембраной и делает в ней отверстия (отсюда его название), позволяя лизинам достигать пептидогликановой матрицы. Прототипическим холином является белок S фага лямбда, который помогает белку R фага лямбда (лизину). Все холины встраиваются в клеточную мембрану и содержат по крайней мере два трансмембранных спиральных домена. Считается, что процесс создания отверстий достигается путем олигомеризации холина в определенный момент, когда вирионы потомства должны быть высвобождены. [4] [12]

Эффективность

Фаговые лизины, как правило, специфичны для вида или подвида, что означает, что они эффективны только против бактерий, из которых они были получены. В то время как некоторые лизины действуют только на клеточные стенки нескольких бактериальных филотипов, были обнаружены некоторые лизины широкого спектра действия. [13] Аналогичным образом, известны некоторые термостабильные лизины, что облегчает их использование в биотехнологии. [14] Что касается их использования в качестве антибактериальных агентов, лизины были обнаружены эффективными в основном против грамположительных бактерий, поскольку грамотрицательные бактерии обладают внешней мембраной , которая не позволяет внеклеточным молекулам лизина переваривать пептидогликан. [5] Однако лизины с активностью против грамотрицательных бактерий, такие как OBPgp279 , привлекли внимание как потенциальные терапевтические средства. [15]

Иммунный ответ

Одним из наиболее проблемных аспектов использования фаговых лизинов в качестве антимикробных агентов является потенциальная иммуногенность этих ферментов. В отличие от большинства антибиотиков, белки склонны к распознаванию и связыванию антител, что означает, что лизины могут быть неэффективны при лечении бактериальных инфекций или даже опасны, потенциально приводя к системному иммунному ответу или цитокиновому шторму . Тем не менее, экспериментальные данные с иммунологически богатой сывороткой кролика показали, что гипериммунная сыворотка замедляет, но не блокирует активность пневмококкового лизина Cpl-1. [16]

Использование противомикробных препаратов

Фаговые лизины были успешно протестированы на животных моделях для контроля патогенных антибиотикорезистентных бактерий, обнаруженных на слизистых оболочках и в крови. Главным преимуществом лизинов по сравнению с антибиотиками является не только низкая бактериальная резистентность, но и высокая специфичность к целевому патогену и низкая активность по отношению к нормальной бактериальной флоре хозяина . [5]

Лизины впервые были использованы в терапевтических целях на животных в 2001 году в публикации, в которой мыши, перорально колонизированные Streptococcus pyogenes, были деколонизированы с помощью однократной дозы лизина PlyC, введенной перорально. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Перес-Дорадо I, Кампильо Н.Е., Монтерросо Б., Хесек Д., Ли М., Паес Х.А., Гарсиа П., Мартинес-Риполь М., Гарсия Х.Л., Мобашери С., Менендес М., Эрмосо Х.А. (август 2007 г.). «Выяснение молекулярного распознавания бактериальной клеточной стенки модульным эндолизином пневмококкового фага CPL-1». Ж. Биол. Хим . 282 (34): 24990–9. дои : 10.1074/jbc.M704317200 . hdl : 10261/12517 . ПМИД  17581815.
  2. ^ Visweswaran GR, Dijkstra BW, Kok J (ноябрь 2010 г.). "Две основные архейные псевдомуреиновые эндоизопептидазы: PeiW и PeiP". Archaea . 2010 : 480492. doi : 10.1155/2010/480492 . PMC 2989375 . PMID  21113291. 
  3. ^ Quemin ER, Quax TE (5 июня 2015 г.). «Архейные вирусы на клеточной оболочке: вход и выход». Frontiers in Microbiology . 6 : 552. doi : 10.3389/fmicb.2015.00552 . PMC 4456609. PMID  26097469 . 
  4. ^ ab Young R (сентябрь 1992 г.). «Лизис бактериофага: механизм и регуляция». Microbiological Reviews . 56 (3): 430–81. doi :10.1128/mr.56.3.430-481.1992. PMC 372879 . PMID  1406491. 
  5. ^ abcde Fischetti VA (октябрь 2008 г.). «Лизины бактериофагов как эффективные антибактериальные средства». Current Opinion in Microbiology . 11 (5): 393–400. doi :10.1016/j.mib.2008.09.012. PMC 2597892. PMID  18824123 . 
  6. ^ ab McGowan S, Buckle AM, Mitchell MS, Hoopes JT, Gallagher DT, Heselpoth RD, Shen Y, Reboul CF, Law RH, Fischetti VA, Whisstock JC, Nelson DC (июль 2012 г.). "Рентгеновская кристаллическая структура специфического для стрептококков фага лизина PlyC". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12752–7. Bibcode : 2012PNAS..10912752M. doi : 10.1073/pnas.1208424109 . PMC 3412044. PMID  22807482 . 
  7. ^ Baker JR, Liu C, Dong S, Pritchard DG (октябрь 2006 г.). «Эндопептидазная и гликозидазная активность лизина бактериофага B30». Applied and Environmental Microbiology . 72 (10): 6825–8. doi : 10.1128/AEM.00829-06 . PMC 1610294. PMID  17021237 . 
  8. ^ Navarre WW, Ton-That H, Faull KF, Schneewind O (май 1999). «Множественная ферментативная активность муреин-гидролазы стафилококкового фага phi11. Идентификация активности D-аланил-глициновой эндопептидазы». Журнал биологической химии . 274 (22): 15847–56. doi : 10.1074/jbc.274.22.15847 . PMID  10336488.
  9. ^ García E, García JL, García P, Arrarás A, Sánchez-Puelles JM, López R (февраль 1988 г.). «Молекулярная эволюция литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (3): 914–8. Bibcode : 1988PNAS...85..914G. doi : 10.1073/pnas.85.3.914 . JSTOR  31364. PMC 279667. PMID  3422470. 
  10. ^ abc Loessner MJ, Kramer K, Ebel F, Scherer S (апрель 2002 г.). "C-концевые домены муреин-гидролаз бактериофага Listeria monocytogenes определяют специфическое распознавание и высокоаффинное связывание с углеводами бактериальной клеточной стенки". Молекулярная микробиология . 44 (2): 335–49. doi :10.1046/j.1365-2958.2002.02889.x. PMID  11972774.
  11. ^ Гарсиа П., Гарсиа Х.Л., Гарсиа Э., Санчес-Пуэльес Х.М., Лопес Р. (январь 1990 г.). «Модульная организация литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов». Джин . 86 (1): 81–8. дои : 10.1016/0378-1119(90)90116-9. ПМИД  2311937.
  12. ^ Ван ИН, Смит DL, Янг Р. (2000). «Холины: белковые часы бактериофаговых инфекций». Annual Review of Microbiology . 54 : 799–825. doi : 10.1146/annurev.micro.54.1.799. PMID  11018145.
  13. ^ Yoong P, Schuch R, Nelson D, Fischetti VA (июль 2004 г.). «Идентификация широко активного литического фермента фага с летальной активностью против устойчивых к антибиотикам Enterococcus faecalis и Enterococcus faecium». Журнал бактериологии . 186 (14): 4808–12. doi :10.1128/JB.186.14.4808-4812.2004. PMC 438584. PMID 15231813  . 
  14. ^ Plotka M, Kaczorowska AK, Stefanska A, Morzywolek A, Fridjonsson OH, Dunin-Horkawicz S, Kozlowski L, Hreggvidsson GO, Kristjansson JK, Dabrowski S, Bujnicki JM, Kaczorowski T (февраль 2014 г.). «Новый высокотермостабильный эндолизин из бактериофага Thermus scotoductus MAT2119 Ph2119 с аминокислотной последовательностью, схожей с белками распознавания эукариотического пептидогликана». Applied and Environmental Microbiology . 80 (3): 886–95. doi :10.1128/AEM.03074-13. PMC 3911187 . PMID  24271162. 
  15. ^ Брайерс Ю., Валма М., Ван Пуйенбрук В., Корнелиссен А., Сененс В., Артсен А. и др. (июль 2014 г.). «Разработаны «Артилизины» на основе эндолизина для борьбы с грамотрицательными возбудителями с множественной лекарственной устойчивостью». мБио . 5 (4): e01379-14. doi : 10.1128/mBio.01379-14. ПМК 4161244 . ПМИД  24987094. 
  16. ^ Loeffler JM, Djurkovic S, Fischetti VA (ноябрь 2003 г.). «Фаговый литический фермент Cpl-1 как новый антимикробный препарат для пневмококковой бактериемии». Инфекция и иммунитет . 71 (11): 6199–204. doi :10.1128/IAI.71.11.6199-6204.2003. PMC 219578. PMID  14573637. 
  17. ^ Nelson D, Loomis L, Fischetti VA (март 2001 г.). «Профилактика и устранение колонизации верхних дыхательных путей мышей стрептококками группы А с помощью литического фермента бактериофага». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (7): 4107–12. Bibcode : 2001PNAS...98.4107N. doi : 10.1073 /pnas.061038398 . PMC 31187. PMID  11259652. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Лизин&oldid=1236921301"