Лизин - Lysin

Не путать с лизин.
Для использования в других целях см. Лизин (значения).
Лизоцимоподобный фаговый лизин
Кристаллическая структура модульного эндолизина CPL-1 в комплексе с аналогом пептидогликана. Jpg
Кристаллическая структура модульного эндолизина CPL-1 из фага Streptococcus Cp-1 в комплексе с аналогом пептидогликана. PDB вход 2j8g.[1]
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.17
Количество CAS9001-63-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Лизины, также известен как эндолизины или муреин гидролазы, находятся гидролитические ферменты произведено бактериофаги чтобы расколоть хост клеточная стенка на заключительном этапе литический цикл. Лизины - это высокоразвитые ферменты, которые способны воздействовать на одну из пяти связей в пептидогликан (муреин), основной компонент клеточных стенок бактерий, который позволяет выпускать потомство вирионы из лизированной клетки. Содержащие клеточную стенку Археи также лизируются специализированными псевдомореин -отщепляющиеся лизины,[2] в то время как большинство вирусов архей используют альтернативные механизмы.[3] Точно так же не все бактериофаги синтезируют лизины: некоторые небольшие одноцепочечные ДНК- и РНК-фаги продуцируют мембранные белки, которые активируют клетки хозяина. автолитический такие механизмы, как автолизины.[4]

Лизины используются в качестве антибактериальных средств благодаря их высокой эффективности и специфичности по сравнению с антибиотики, которые подвержены устойчивости к бактериям.[5]

Структура

Двухцепочечные ДНК-фаговые лизины имеют тенденцию лежать в пределах от 25 до 40 kДа диапазон по размеру. Заметным исключением является эндолизин стрептококка PlyC, который составляет 114 кДа. PlyC является не только самым большим и наиболее мощным лизином, но и уникальной структурой, поскольку он состоит из двух различных генных продуктов, PlyCA и PlyCB, с соотношением восьми субъединиц PlyCB для каждого PlyCA в его активной конформации.[6]

Все остальные лизины мономерные и состоят из двух домены разделены короткой линкерной областью. Для лизинов грамположительных бактерий N-концевой домен катализирует гидролиз пептидогликана, тогда как C-терминал домен связывается с субстратом клеточной стенки.

Каталитический домен

Каталитический домен отвечает за разрыв пептидогликановых связей. Функционально можно выделить пять типов каталитического домена лизина:

Пептидогликан состоит из сшитых аминокислот и сахаров, которые образуют чередующиеся аминосахара: N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (ДН). Лизины эндо-β-N-ацетилглюкозаминидазы расщепляют NAG, а лизины N-ацетилмурамидазы (лизиноподобные лизины) расщепляют NAM. Лизины эндопептидазы расщепляют любую из пептидных связей 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-глутамил-1-лизинэндопептидазы расщепляют гамма-связь между остатками D-глутамина и L-лизина. Как и в случае с автолизины, ранняя путаница в отношении специфичности расщепления этих индивидуальных ферментов привела к некоторому неправильному отнесению названия «лизоцим» к белкам без этой активности.[7]

Обычно два или более разных каталитических домена связаны с одним связывающим клетку доменом. Это типично для многих стафилококковых лизинов, а также для стрептококкового холофермента PlyC, который содержит два каталитических домена.[6][8] Каталитические домены высококонсервативны в лизинах фагов того же класса.[5]

Сотовый домен

Клеточно-связывающий домен (CBD) связывается со специфическим субстратом, обнаруженным в клеточной стенке бактерии-хозяина, обычно с углеводом. В отличие от каталитического домена, домен связывания клеток является вариабельным, что обеспечивает высокую 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 от заражения соседних бактерий-хозяев.[10]

Эволюция

Было высказано предположение, что основным механизмом эволюции лизинов фагов является обмен модульных единиц, процесс, посредством которого различные каталитические и связывающие клетки домены меняются местами между лизинами, что привело бы к новым комбинациям как бактериального связывания, так и каталитического связывания. особенности.[11]

Способ действия

Каталитический домен лизина локально переваривает пептидогликан с высокой скоростью, что вызывает дыры 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 расщепление лизинами необратимо вызывает гипотонический лизис. Теоретически из-за каталитических свойств фаговых лизинов одного фермента было бы достаточно, чтобы убить бактерию-хозяин, расщепив необходимое количество связей, хотя это еще предстоит доказать.[5] Работа Лесснера и другие предполагает, что расщепление обычно достигается за счет совместного действия множества молекул лизина в локальной области клеточной стенки хозяина.[10] Высокое сродство связывания с субстратом клеточной стенки (близкое к таковому у IgG для его субстрата) каждого лизина, по-видимому, является причиной того, что 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, лизины фагов должны пересечь клеточную мембрану. Однако им обычно не хватает сигнальный пептид это позволило бы им это сделать. Чтобы решить эту проблему, фаговые вирусы синтезируют другой белок, называемый холин который связывается с клеточной мембраной и делает в ней отверстия (отсюда и его название), позволяя лизинам достигать матрикса пептидогликана. Прототипом холина является белок S фага лямбда, который поддерживает белок R фага лямбда (лизин). Все холины встраиваются в клеточную мембрану и содержат по крайней мере два трансмембранных спиральных домена. Считается, что процесс образования отверстий достигается за счет олигомеризации холина в определенный момент, когда вирионы потомства должны высвобождаться.[4][12]

Эффективность

Лизины фагов обычно имеют вид или подвид, а это означает, что они эффективны только против бактерий, из которых они были произведены. Хотя некоторые лизины действуют только на клеточные стенки некоторых бактериальных филотипов, были обнаружены некоторые лизины широкого спектра действия.[13] Точно так же известны некоторые термостабильные лизины, что упрощает их использование в биотехнологии.[14] Что касается их использования в качестве антибактериальных средств, лизины оказались эффективными в основном против Грамположительный бактерии, поскольку Грамотрицательный бактерии обладают внешняя мембрана что предотвращает переваривание пептидогликаном внеклеточных молекул лизина.[5] Однако лизины, обладающие активностью против грамотрицательных бактерий, такие как OBPgp279, вызвали интерес как потенциальные терапевтические средства.[15]

Иммунная реакция

Одним из наиболее проблемных аспектов использования лизинов фагов в качестве противомикробных 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 неэффективными при лечении бактериальных инфекций или даже опасными, потенциально приводя к системному иммунному ответу или цитокиновый шторм. Тем не менее, экспериментальные данные из иммунологически богатой кроличьей сыворотки показали, что гипериммунная сыворотка замедляет, но не блокирует активность пневмококкового лизина Cpl-1.[16]

Использование противомикробных препаратов

Лизины фагов были успешно протестированы на животных моделях для борьбы с патогенными устойчивыми к антибиотикам бактериями, обнаруженными на слизистые оболочки и в крови. Основным преимуществом лизинов по сравнению с антибиотиками является не только низкая устойчивость бактерий, но и высокая специфичность по отношению к патогену-мишени, а также низкая активность по отношению к нормальным организмам хозяина. бактериальная флора.[5]

Лизины были впервые использованы терапевтически на животных в 2001 г., в публикации, в которой мыши колонизировали перорально Streptococcus pyogenes мы деколонизированный с одной дозой лизина PlyC, доставленной перорально.[17]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Перес-Дорадо I, Кампильо, NE, Монтерросо Б., Хесек Д., Ли М., Паес Дж. А., Гарсия П., Мартинес-Риполл М., Гарсиа Д. Л., Мобашери С., Менендес М., Эрмосо Дж. А. (август 2007 г.). «Выяснение молекулярного распознавания бактериальной клеточной стенки модульным пневмококковым фагом эндолизином CPL-1». J. Biol. Chem. 282 (34): 24990–9. Дои:10.1074 / jbc.M704317200. PMID  17581815.
  2. ^ Висвесваран Г.Р., Дейкстра Б.В., Кок Дж. (Ноябрь 2010 г.). «Две основные эндоизопептидазы псевдомуреина архей: PeiW и PeiP». Археи. 2010: 480492. Дои:10.1155/2010/480492. ЧВК  2989375. PMID  21113291.
  3. ^ Quemin ER, Quax TE (5 июня 2015 г.). «Вирусы архей в клеточной оболочке: вход и выход». Границы микробиологии. 6: 552. Дои:10.3389 / fmicb.2015.00552. ЧВК  4456609. PMID  26097469.
  4. ^ а б Молодой Р. (сентябрь 1992 г.). «Лизис бактериофага: механизм и регуляция». Микробиологические обзоры. 56 (3): 430–81. ЧВК  372879. PMID  1406491.
  5. ^ а б c d е Фишетти В.А. (октябрь 2008 г.). «Лизины бактериофагов как эффективные антибактериальные средства». Текущее мнение в микробиологии. 11 (5): 393–400. Дои:10.1016 / j.mib.2008.09.012. ЧВК  2597892. PMID  18824123.
  6. ^ а б 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 стрептококкового специфического фагового лизина PlyC». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (31): 12752–7. Bibcode:2012ПНАС..10912752М. Дои:10.1073 / pnas.1208424109. ЧВК  3412044. PMID  22807482.
  7. ^ Бейкер Дж. Р., Лю С., Донг С., Притчард Д. Г. (октябрь 2006 г.). «Эндопептидазная и гликозидазная активности лизина бактериофага В30». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (10): 6825–8. Дои:10.1128 / AEM.00829-06. ЧВК  1610294. PMID  17021237.
  8. ^ Navarre WW, Ton-That H, Faull KF, Schneewind O (май 1999 г.). «Множественные ферментативные активности муреингидролазы из стафилококкового фага phi11. Идентификация активности D-аланил-глицинэндопептидазы». Журнал биологической химии. 274 (22): 15847–56. Дои:10.1074 / jbc.274.22.15847. PMID  10336488.
  9. ^ Гарсия Э., Гарсия Дж. Л., Гарсия П., Аррарас А., Санчес-Пуэллес Дж. 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. Bibcode:1988ПНАС ... 85..914Г. Дои:10.1073 / пнас.85.3.914. JSTOR  31364. ЧВК  279667. PMID  3422470.
  10. ^ а б c Лесснер М.Дж., Крамер К., Эбель Ф., Шерер С. (апрель 2002 г.). «С-концевые домены муреин-гидролаз 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. PMID  11972774.
  11. ^ Гарсия П., Гарсиа Дж. Л., Гарсия Э., Санчес-Пуэллес Дж. М., Лопес Р. (январь 1990 г.). «Модульная организация литических ферментов Streptococcus pneumoniae и его бактериофагов». Ген. 86 (1): 81–8. Дои:10.1016/0378-1119(90)90116-9. PMID  2311937.
  12. ^ Ван И.Н., Смит Д.Л., Янг Р. (2000). «Холины: белковые часы бактериофаговых инфекций». Ежегодный обзор микробиологии. 54: 799–825. Дои:10.1146 / annurev.micro.54.1.799. PMID  11018145.
  13. ^ Юнг П., Шуч Р., Нельсон Д., Фишетти В.А. (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. Дои:10.1128 / JB.186.14.4808-4812.2004. ЧВК  438584. PMID  15231813.
  14. ^ Плотка М., Качоровска А.К., Стефанская А., Морзиволек А., Фридйонссон О.Х., Дунин-Хоркавич С., Козловски Л., Хреггвидссон Г.О., Кристьянссон Ю.К., Дабровски С., Буйницки Ю.М., Качоровски Т. (февраль 2014 г.). «Новый высокотермостабильный эндолизин бактериофага Ph2119 Thermus scotoductus MAT2119 со сходной аминокислотной последовательностью с эукариотическими белками распознавания пептидогликана». Прикладная и экологическая микробиология. 80 (3): 886–95. Дои:10.1128 / AEM.03074-13. ЧВК  3911187. PMID  24271162.
  15. ^ Бриерс Ю., Уолмаг М., Ван Пуйенбрук В., Корнелиссен А., Сененс В., Аэртсен А. и др. (Июль 2014 г.). «Созданные на основе эндолизина« Артилизины »для борьбы с грамотрицательными патогенами с множественной лекарственной устойчивостью». мБио. 5 (4): e01379-14. Дои:10,1128 / мБио.01379-14. ЧВК  4161244. PMID  24987094.
  16. ^ Лёффлер Дж. М., Джуркович С., Фишетти В. А. (ноябрь 2003 г.). «Фаглитический 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. ЧВК  219578. PMID  14573637.
  17. ^ Нельсон Д., Лумис Л., Фишетти В.А. (март 2001 г.). «Профилактика и устранение колонизации мышей стрептококками группы А в верхних дыхательных путях с использованием литического фермента бактериофага». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (7): 4107–12. Bibcode:2001ПНАС ... 98.4107Н. Дои:10.1073 / pnas.061038398. ЧВК  31187. PMID  11259652.