Лизин
| Лизоцимоподобный фаговый лизин | |||
|---|---|---|---|
 | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 3.2.1.17 | ||
| Номер CAS. | 9001-63-2 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
| |||
Лизины , также известные как эндолизины или муреингидролазы , представляют собой гидролитические ферменты , вырабатываемые бактериофагами для расщепления клеточной стенки хозяина на заключительной стадии литического цикла . Лизины представляют собой высокоразвитые ферменты, которые способны воздействовать на одну из пяти связей в пептидогликане (муреине), основном компоненте клеточных стенок бактерий, что позволяет высвобождать потомство вирионов из лизированной клетки. Содержащие клеточную стенку археи также лизируются специализированными псевдомуреин . лизинами, расщепляющими [ 2 ] в то время как большинство архейных вирусов используют альтернативные механизмы. [ 3 ] механизмы хозяина, Точно так же не все бактериофаги синтезируют лизины: некоторые небольшие фаги с одноцепочечной ДНК и РНК производят мембранные белки, которые активируют автолитические 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 , чувствительными к бактериальной резистентности. [ 5 ] Поскольку лизины необходимы для выживания бактериофагов, устойчивость к лизинам встречается крайне редко. За более чем 20 лет разработки лизина в качестве терапевтического средства резистентность не наблюдалась, даже когда резистентность была вызвана экспериментами по мутагенезу.
Структура
[ редактировать ]двухцепочечной ДНК фаговых лизинов обычно находится в диапазоне от 25 до 40 кДа . Размер Заметным исключением является стрептококковый эндолизин PlyC, масса которого составляет 114 кДа. PlyC является не только самым большим и наиболее мощным лизином, но также структурно уникальным, поскольку он состоит из двух разных генных продуктов, PlyCA и PlyCB, с соотношением восьми субъединиц PlyCB для каждого PlyCA в его активной конформации. [ 6 ]
Все остальные лизины мономерны и состоят из двух доменов, разделенных короткой линкерной областью. Для лизинов грамположительных бактерий N-концевой домен катализирует гидролиз пептидогликана, тогда как С-концевой домен связывается с субстратом клеточной стенки.
Каталитический домен
[ редактировать ]Каталитический домен отвечает за расщепление пептидогликановых связей. Функционально можно выделить пять типов каталитического домена лизина:
- Эндо-β-N-ацетилглюкозаминидаза ( эндогликозидаза H , EC 3.2.1.96 )
- N-ацетилмурамидаза ( лизоцимоподобная , EC 3.2.1.17 )
- Эндопептидаза
- N-ацетилмурамоил-L-аланинамидаза (T7-подобная, EC 3.5.1.28 )
- γ-D-глутаминил-L-лизинэндопептидаза ( EC 3.4.14.13 )
Пептидогликан состоит из поперечно связанных аминокислот и сахаров, которые образуют чередующиеся аминосахара: N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмураминовую кислоту (NAM). Лизины эндо-β-N-ацетилглюкозаминидазы расщепляют NAG, тогда как лизины N-ацетилмурамидазы (лизоцимоподобные лизины) расщепляют NAM. Лизины эндопептидазы расщепляют любые пептидные связи между аминокислотами, тогда как лизины N-ацетилмурамоил-1-аланинамидазы (или просто лизины амидазы) гидролизуют амидную связь между сахаром и аминокислотными фрагментами. Наконец, недавно обнаруженные лизины γ-d-глутаминил-l-лизин-эндопептидазы расщепляют гамма-связь между остатками D-глутамина и L-лизина. Как и в случае с аутолизинами , ранняя путаница в отношении специфичности расщепления этих отдельных ферментов привела к некоторому неправильному присвоению названия «лизоцим» белкам без этой активности. [ 7 ]
Обычно два или более разных каталитических домена связаны с одним клеточно-связывающим доменом. Это типично для многих стафилококковых лизинов, а также для стрептококкового холофермента PlyC, который содержит два каталитических домена. [ 6 ] [ 8 ] Каталитические домены высококонсервативны у фаговых лизинов одного класса. [ 5 ]
Домен связывания клеток
[ редактировать ]Клеток-связывающий домен (CBD) связывается со специфическим субстратом, обнаруженным в клеточной стенке бактерии-хозяина, обычно с углеводом. В отличие от каталитического домена, клеточно-связывающий домен является вариабельным, что обеспечивает большую специфичность и снижает устойчивость бактерий. [ 9 ] Сродство связывания с субстратом клеточной стенки имеет тенденцию быть высоким, возможно, для того, чтобы изолировать на фрагментах клеточной стенки любой свободный фермент, который мог бы конкурировать с потомством фага за инфицирование соседних бактерий-хозяев. [ 10 ]
Эволюция
[ редактировать ]Было высказано предположение, что основным механизмом эволюции фаговых лизинов является обмен модульными единицами, процесс, посредством которого различные каталитические и клеточно-связывающие домены заменяются местами между лизинами, что привело бы к новым комбинациям как бактериального связывания, так и каталитического действия. особенности. [ 11 ]
Способ действия
[ редактировать ]Каталитический домен лизина локально переваривает пептидогликан с высокой скоростью, что приводит к образованию дыр в клеточной стенке. Поскольку клеточная стенка сшитого пептидогликана является единственным механизмом, предотвращающим спонтанный взрыв бактериальных клеток из-за высокого внутреннего давления (3–5 атмосфер), ферментативное расщепление лизинами необратимо вызывает гипотонический лизис. Теоретически, благодаря каталитическим свойствам фаговых лизинов, одного фермента было бы достаточно, чтобы убить бактерию-хозяина путем расщепления необходимого количества связей, хотя это еще предстоит доказать. [ 5 ] Работа Лесснера и др. предполагает, что расщепление обычно достигается за счет совместного действия нескольких молекул лизина на локальный участок клеточной стенки хозяина. [ 10 ] Высокая аффинность связывания каждого лизина с субстратом клеточной стенки (близкая к таковой у IgG в качестве его субстрата), по-видимому, является причиной того, почему требуется несколько молекул, поскольку каждый лизин настолько прочно связывается с клеточной стенкой, что не может разорвать достаточное количество связей. вызвать лизис сам по себе. [ 10 ]
Чтобы достичь клеточной стенки, лизинам фага необходимо пересечь клеточную мембрану. Однако у них обычно отсутствует сигнальный пептид , который позволил бы им это сделать. Чтобы решить такую проблему, фаговые вирусы синтезируют другой белок, называемый холин , который связывается с клеточной мембраной и проделывает в ней отверстия (отсюда и название), позволяя лизинам достигать матрикса пептидогликана. Прототипическим холином является белок фага S лямбда, который помогает белку фага R лямбда (лизин). Все холины внедряются в клеточную мембрану и содержат как минимум два трансмембранных спиральных домена. Считается, что процесс образования дырок достигается за счет олигомеризации холина в определенный момент, когда вирионы-потомки должны высвободиться. [ 4 ] [ 12 ]
Эффективность
[ редактировать ]Фаговые лизины обычно видо- или подвидоспецифичны, что означает, что они эффективны только против бактерий, из которых они были получены. Хотя некоторые лизины действуют только на клеточные стенки нескольких филотипов бактерий, были обнаружены 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 средств, лизины оказались эффективными главным образом против грамположительных бактерий, поскольку грамотрицательные бактерии обладают внешней мембраной , которая предотвращает переваривание внеклеточными молекулами лизина пептидогликана. [ 5 ] Однако лизины, обладающие активностью против грамотрицательных бактерий, такие как OBPgp279 , вызвали интерес в качестве потенциальных терапевтических средств. [ 15 ]
Иммунный ответ
[ редактировать ]Одним из наиболее проблемных аспектов использования фаговых лизинов в качестве антимикробных средств является потенциальная иммуногенность этих ферментов. В отличие от большинства антибиотиков, белки склонны к распознаванию и связыванию антител, а это 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 на иммунологически богатой кроличьей сыворотке показали, что гипериммунная сыворотка замедляет, но не блокирует активность пневмококкового лизина Cpl-1. [ 16 ]
Антимикробное использование
[ редактировать ]Фаговые лизины были успешно протестированы на животных моделях для борьбы с патогенными устойчивыми к антибиотикам бактериями, обнаруженными на слизистых оболочках и в крови. хозяина Основным преимуществом лизинов по сравнению с антибиотиками является не только низкая устойчивость бактерий, но и высокая специфичность по отношению к целевому возбудителю и низкая активность по отношению к нормальной бактериальной флоре . [ 5 ]
Лизины были впервые использованы в терапевтических целях на животных в 2001 году, в публикации, в которой мышей, перорально колонизированных Streptococcus pyogenes, с деколонизировали помощью однократной дозы лизина PlyC, введенной перорально. [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перес-Дорадо И., Кампильо Н.Е., Монтерросо Б., Хесек Д., Ли М., Паес Х.А., Гарсиа П., Мартинес-Риполь М., Гарсиа 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 .
- ^ Висвесваран Г.Р., Дейкстра Б.В., Кок Дж. (ноябрь 2010 г.). «Две основные архейные псевдомуреиновые эндоизопептидазы: PeiW и PeiP» . Архея . 2010 : 480492. doi : 10.1155/2010/480492 . ПМЦ 2989375 . ПМИД 21113291 .
- ^ Кемин Э.Р., Квакс Т.Э. (5 июня 2015 г.). «Архейные вирусы в клеточной оболочке: вход и выход» . Границы микробиологии . 6 : 552. дои : 10.3389/fmicb.2015.00552 . ПМЦ 4456609 . ПМИД 26097469 .
- ^ Перейти обратно: а б Янг Р. (сентябрь 1992 г.). «Лизис бактериофагов: механизм и регуляция» . Микробиологические обзоры . 56 (3): 430–81. дои : 10.1128/мр.56.3.430-481.1992 . ПМЦ 372879 . ПМИД 1406491 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Фишетти В.А. (октябрь 2008 г.). «Лизины бактериофагов как эффективные антибактериальные средства» . Современное мнение в микробиологии . 11 (5): 393–400. дои : 10.1016/j.mib.2008.09.012 . ПМЦ 2597892 . ПМИД 18824123 .
- ^ Перейти обратно: а б Макгоуэн С., Бакл А.М., Митчелл М.С., Хупс Дж.Т., Галлахер Д.Т., Хеселпот Р.Д., Шен Ю., Ребул К.Ф., Лоу Р.Х., Фишетти В.А., Уиссток Дж.К., Нельсон Д.С. (июль 2012 г.). «Рентгеновская кристаллическая структура стрептококкового специфического фага лизина PlyC» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12752–7. Бибкод : 2012PNAS..10912752M . дои : 10.1073/pnas.1208424109 . ПМЦ 3412044 . ПМИД 22807482 .
- ^ Бейкер-младший, Лю С., Донг С., Притчард Д.Г. (октябрь 2006 г.). «Эндопептидазная и гликозидазная активность лизина бактериофага B30» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (10): 6825–8. дои : 10.1128/АЕМ.00829-06 . ПМК 1610294 . ПМИД 17021237 .
- ^ Гарсиа Э., Гарсиа Х.Л., Гарсиа П., Аррарас А., Санчес-Пуэльес Х.М., Лопес Р. (февраль 1988 г.). «Молекулярная эволюция литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (3): 914–8. Бибкод : 1988PNAS...85..914G . дои : 10.1073/pnas.85.3.914 . JSTOR 31364 . ПМК 279667 . ПМИД 3422470 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лесснер М.Дж., Крамер К., Эбель Ф., Шерер С. (апрель 2002 г.). «С-концевые домены муреингидролаз бактериофага Listeria monocytogenes определяют специфическое распознавание и высокоаффинное связывание с углеводами бактериальной клеточной стенки». Молекулярная микробиология . 44 (2): 335–49. дои : 10.1046/j.1365-2958.2002.02889.x . ПМИД 11972774 .
- ^ Гарсия П., Гарсия Х.Л., Гарсия 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 .
- ^ Ван И.Н., Смит Д.Л., Янг Р. (2000). «Холины: белковые часы бактериофаговых инфекций». Ежегодный обзор микробиологии . 54 : 799–825. дои : 10.1146/аннурев.микро.54.1.799 . ПМИД 11018145 .
- ^ Юн П., Шух Р., Нельсон Д., Фишетти В.А. (июль 2004 г.). «Идентификация широко активного фагового литического фермента с летальной активностью против устойчивых к антибиотикам Enterococcus faecalis и Enterococcus faecium» . Журнал бактериологии . 186 (14): 4808–12. дои : 10.1128/JB.186.14.4808-4812.2004 . ПМЦ 438584 . ПМИД 15231813 .
- ^ Плотка М, Качоровска А.К., Стефанска А., Морзиволек А., Фридьонссон О.Г., Дунин-Хоркавич С., Козловски Л., Хрегвидссон Г.О., Кристьянссон Ю.К., Домбровский С., Буйницкий Ю.М., Качоровски Т. (февраль 2014 г.). «Новый высокотермостабильный эндолизин из бактериофага Ph2119 Thermus scotoductus MAT2119 со сходством аминокислотной последовательности с белками распознавания пептидогликана эукариот» . Прикладная и экологическая микробиология . 80 (3): 886–95. дои : 10.1128/АЕМ.03074-13 . ПМЦ 3911187 . ПМИД 24271162 .
- ^ Брайерс И., Валма М., Ван Пуйенбрук В., Корнелиссен А., Сененс В., Аертсен А. и др. (июль 2014 г.). «Разработаны «Артилизины» на основе эндолизина для борьбы с полирезистентными грамотрицательными возбудителями» . мБио . 5 (4): e01379-14. дои : 10.1128/mBio.01379-14 . ПМК 4161244 . ПМИД 24987094 .
- ^ Леффлер Дж. М., Джуркович С., Фишетти В. А. (ноябрь 2003 г.). «Фаговый литический фермент Cpl-1 как новый противомикробный препарат при пневмококковой бактериемии» . Инфекция и иммунитет . 71 (11): 6199–204. дои : 10.1128/IAI.71.11.6199-6204.2003 . ПМК 219578 . ПМИД 14573637 .
- ^ Нельсон Д., Лумис Л., Фишетти В.А. (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. Бибкод : 2001PNAS...98.4107N . дои : 10.1073/pnas.061038398 . ПМК 31187 . ПМИД 11259652 .
