Peptydy przeciwdrobnoustrojowe
Chloe McClanahan
Czytaj więcej o
W związku z tym, że oporność bakterii i pojawiające się choroby zakaźne stają się potencjalnym zagrożeniem dla ludzi, syntetyzowane rybosomalnie peptydy przeciwdrobnoustrojowe stały się obiecującym obszarem badań nad antybiotykami. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe są klasyfikowane jako peptydy syntetyzowane nierybosomalnie lub peptydy syntetyzowane rybosomalnie (RAMP). Peptydy nierybosomalne występują w bakteriach i grzybach. Te peptydy przeciwdrobnoustrojowe są składane przez syntetazy peptydowe w przeciwieństwie do syntezy wspieranej przez rybosomy. Gramicydyna, bacytracyna, polimyksyna B i wankomycyna są przykładami nierybosomalnie syntetyzowanych peptydów przeciwdrobnoustrojowych. Antybiotyki te okazały się skutecznymi narzędziami badawczymi, ale w porównaniu z RAMP są niekorzystne dla nowych zastosowań ze względu na pojawiającą się oporność bakterii, na przykład oporność na wankomycynę Staphylococcus aureus i enterokoki.
RAMP pochodzą od różnych gatunków, od prokariotów po ludzi. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe stanowią naturalną obronę gospodarza przed codzienną ekspozycją na miliony potencjalnych patogenów. Peptydy te mogą również wykazywać działanie przeciwwirusowe, przeciwpasożytnicze i przeciwnowotworowe. W literaturze opisano ponad 500 RAMP. Ich unikalne spektrum antybiotyczne jest określane przez sekwencję aminokwasów i konformację strukturalną. RAMP są kodowanymi przez geny peptydami składającymi się z 12-50 aminokwasów z bardzo niewielkim nakładaniem się genetycznym. Brak homologii sekwencji między RAMP wskazuje na ewolucyjną optymalizację formy i funkcji w środowisku gatunku. RAMP są zazwyczaj peptydami kationowymi, w których co najmniej połowa reszt aminokwasowych jest hydrofobowa, a mniejsza liczba reszt neutralnych lub ujemnie naładowanych. Ich amfipatyczna struktura z przeciwstawnymi hydrofobowymi i lipofilowymi powierzchniami pomaga w zaburzeniu ściany komórkowej bakterii.
Mechanizm działania RAMP obejmuje wiązanie peptydu z powierzchnią komórki bakteryjnej, zmianę konformacyjną peptydu, agregację wielu monomerów peptydowych i tworzenie porów przez ścianę komórki bakteryjnej. RAMP wiążą się z lipopolisacharydami w ujemnie naładowanej zewnętrznej ścianie komórkowej bakterii Gram-ujemnych lub z kwaśnymi polisacharydami zewnętrznej ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich. Po związaniu następuje permeabilizacja dwuwarstwowej błony poprzez przejściowe tworzenie porów. Permeabilizacja prowadzi do wycieku składników komórki i jej śmierci. Istnieje kilka modeli permeabilizacji, chociaż dokładny mechanizm nie jest znany. Trzy modele permeabilizacji określane są jako barrel-stave, thoroidal i carpet. Rysunek 1. przedstawia perturbację ściany komórkowej bakterii przez RAMP.
.
Rysunek 1.Peptyd przeciwdrobnoustrojowy zaburza ścianę komórkową bakterii poprzez model działania dywanu.
RAMP są idealnymi kandydatami do klinicznego zastosowania przeciwdrobnoustrojowego, ponieważ:
1) są aktywne przeciwko izolatom opornym na antybiotyki
2) nie selekcjonują opornych mutantów i mają ograniczoną naturalną oporność bakterii
3) działają synergistycznie z konwencjonalnymi antybiotykami, szczególnie przeciwko opornym mutantom
4) udowodniono, że zabijają bakterie w modelach zwierzęcych
5) Szybko zabijają
6) Zapewniają korzystne, dodatkowe działania, na przykład hamowanie sepsy
Chociaż RAMP są idealnymi kandydatami klinicznymi, ich zróżnicowana zmienność strukturalna utrudnia przewidywanie aktywności RAMP in vivo; dlatego projektowanie funkcjonalnych syntetycznych mimetyków jest wyzwaniem. Niewielkie zmiany w sekwencji lub konformacji peptydów mogą prowadzić do znacznych różnic w poziomie działania przeciwdrobnoustrojowego i cytotoksycznego. Optymalne in vitro minimalne stężenie hamujące (MIC) przeciwko wielu organizmom bakteryjnym wynosi 18 μg/mL. Jednakże, trudno jest przewidzieć idealne in vivo MIC na podstawie tego in vitro MIC. W celu uzyskania informacji o MIC, specyficzności, stabilności i toksyczności, nowe, syntetyczne peptydy przeciwdrobnoustrojowe zostały zaprojektowane przy użyciu danych z bioinformatycznych baz danych związanych z RAMP (Tabela 1). Koszty produkcji, wrażliwość na proteazy i potencjalna oporność wynikająca z powszechnego stosowania są dodatkowymi obawami związanymi z przejściem zastosowania RAMP z badań do warunków klinicznych.
Bakteriocyny
Bakteriocyny to niepatogenne, przeciwdrobnoustrojowe peptydy lub białka wydzielane zarówno przez bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne. Bakteriocyny zapobiegają wzrostowi podobnych szczepów bakterii, ale unikają uszkodzenia bakterii gospodarza poprzez selektywne zabijanie w oparciu o modyfikację potranskrypcyjną i/lub specyficzne mechanizmy odpornościowe. W przeciwieństwie do szerokiego spektrum działania konwencjonalnych antybiotyków, bakteriocyny mają wąskie spektrum działania. Dodatkowo bakteriocyny odgrywają rolę w regulacji sygnalizacji, wirulencji i sporulacji.
Nizyna (Cat. No. N5764) jest klasyfikowana jako lantybiotyk klasy I typu A. Jest wytwarzany przez Gram-dodatnie bakterie fermentacji kwasu mlekowego i zawiera kilka nietypowych zmodyfikowanych aminokwasów: tioeterową lantioninę, metylantioninę, didehydroalaninę i kwas didehydroaminomasłowy. Lantybiotyki klasy I typu A są wydłużonymi peptydami, które wykazują szereg aktywności, w tym tworzenie porów w dwuwarstwach bakteryjnych, podczas gdy lantybiotyki klasy I typu B są mniejszymi, kulistymi, ujemnie naładowanymi lub neutralnymi peptydami, które hamują określone enzymy. Lantybiotyki klasy I typu B obejmują cynamycynę (Nr kat. No. C5241) i duramycynę (Cat. No. D3168). Interesującą podgrupą nielantybiotykowych bakteriocyn są peptydy pediocynopodobne klasy IIa. Pediocyna (Cat. No. P0098) była badana pod kątem jej aktywności przeciwko bakteriom patogennym, takim jak Listeria monocytogenes.
Chociaż sekwencje genetyczne bakteriocyn nie są konserwowane, geny bakteriocyn są często umiejscowione w pobliżu genów, które pomagają w ich produkcji, na przykład genów transporterów. BAGEL jest bnarzędziem do genomizacji l opracowanym i utrzymywanym przez Departament Genetyki Molekularnej na Uniwersytecie w Groningen w Holandii. Oprogramowanie to jest dostępne zarówno do użytku akademickiego, jak i komercyjnego pod adresem http://bioinformatics.biol.rug.nl/websoftware/bagel/bagel_start.php.
Wiele bakteriocyn jest badanych pod kątem ich zastosowania w konserwacji żywności. Metodologia ta zmniejsza zapotrzebowanie na potencjalnie rakotwórcze pestycydy i obróbkę cieplną, które zmniejszają właściwości odżywcze żywności.
Bakteriocyny mogą funkcjonować jako alternatywa dla konwencjonalnych antybiotyków, które zostały dotknięte przez oporne szczepy. Millette, M. i wsp. wykazali niedawno, że bakterie wytwarzające nizynę i pediocynę zmniejszają kolonizację jelit przez oporne na wankomycynę bakterie Enterococcus in vivo.
Insect RAMPs
Cekropina jest rodzajem RAMP wydzielanym przez owady i aktywnym wobec bakterii Gram-ujemnych. Cecropin A (Cat. No. C6830) jest ekstrahowana z hemolimfy ćmy jedwabnej (Hyalophora cecropia), ale została również zidentyfikowana w jelicie świń. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe są często składnikami jadów owadów, na przykład melityna z jadu pszczoły (Cat. No. M2272). Zaproponowano, że u prymitywnych gatunków owadów RAMP zastępują procesy układu odpornościowego, na przykład uwalnianie cytokin, które charakteryzują odpowiedź bakteriobójczą u organizmów wyższych. Drosophila syntetyzują różne peptydy przeciwdrobnoustrojowe w odpowiedzi na różne organizmy infekujące. Kallio, J. i wsp. donieśli, że celowanie RNAi w kilka genów odpowiedzi immunologicznej u Drosophila spowodowało zmienioną syntezę peptydów przeciwdrobnoustrojowych i zidentyfikowało zaangażowanie szlaku sygnałowego JNK w produkcję RAMP.
Mammalian RAMPs
Chociaż bakteriocyny, owadzie i ssaków RAMPs są podobne w ich aktywności bakteriobójczej, RAMPs ssaków działają również jako cząsteczki regulacyjne w odpowiedzi immunologicznej gatunku gospodarza.
Defensyny to grupa kationowych RAMP ssaków, które powszechnie występują na skórze, uchu, nabłonku, języku, płucach i innych powierzchniach często narażonych na patogeny środowiskowe. Komórki fagocytarne i nabłonkowe, limfocyty i keratynocyty wytwarzają defensyny.Rysunek 2 przedstawia immunohistochemiczne barwienie defensyny-5 w komórkach nabłonka oddechowego przy użyciu Prestige Antibodies® przeciwciała Anti-DEFA5, wyprodukowanego u królika (Cat. No. HPA015775). Defensyny ulegają konstytutywnej ekspresji i są przechowywane w granulkach bez zewnętrznych bodźców. Jednak zwiększony poziom ekspresji może być indukowany przez cytokiny prozapalne, egzogenne bakterie lub leczenie LPS.
Rysunek 2.Barwienie immunohistochemiczne ludzkiego nosogardzieli wykazuje pozytywność cytoplazmatyczną i błonową w komórkach nabłonka oddechowego przy użyciu Prestige Antibodies® Anti-DEFA5 (nr kat. HPA015775).
Podobnie jak bakteriocyny, defensyny mają zmienny skład reszt aminokwasowych. Dwie klasy defensyn są zdefiniowane przez strukturę. Ludzkie α-defensyny mają trzy wewnątrzcząsteczkowe wiązania cysteinowe, podczas gdy większe β-defensyny
(Cat. Nr kat. D9565, β-defensyna 1 i D9690, β-defensyna 2) składają się z trzech antyrównoległych β-sheetów i unikalnego wzoru mostka disulfidowego łączącego sześć reszt cysteinowych. Oprócz działania przeciwbakteryjnego i przeciwwirusowego, α-defensyny inaktywują wiązanie LPS, regulują aktywację dopełniacza i działają jako adiuwant u myszy. β-defensyny indukują produkcję prostaglandyn i odgrywają rolę regulacyjną w adaptacyjnych odpowiedziach immunologicznych, działając jako chemoatraktanty dla limfocytów T, a także dla niedojrzałych komórek dendrytycznych poprzez sygnalizację poprzez receptor chemokinowy.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?