Современные тенденции применения нерибосомных пептидов микроорганизмов в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные тенденции применения нерибосомных пептидов микроорганизмов в медицине

Митюшникова Е.Б.

ФГБОУ ВО Оренбургский Государственный Университет, г. Оренбург

Данная статья представляет собой краткий обзор результатов исследований нерибосомальных пептидов, процессов их биосинтеза и применения их в медицине.

Ключевые слова: нерибосомные пептиды, антибиотики, антибиотикорезистентность

This article is a brief review of the results of studies of non-ribosomal peptides, their biosynthesis processes and their application in medicine.

Keywords: non-ribosomal peptides, antibiotics, antibiotic resistance

В современном обществе существует проблема появления антибиотикорезистентности клеток к противомикробным препаратам. Исследования новых синтетических антибиотиков не успевают за скоростью мутации патогенных микроорганизмов и опухолевых клеток. Именно поэтому возрос интерес к нерибосомным пептидам, которые могут стать молекулами, способными преодолеть устойчивость к антибиотикам.

Нерибосомные пептиды (НРПС) - соединения, в состав которых могут входить помимо «кодируемых» и «некодируемые» аминокислоты, а также различные непептидные фрагменты, что обусловливает разнообразие синтезируемых молекул. Такие пептиды обладают сложным составом, включающим циклические, разветвленные циклические структуры, а также линейные молекулы, модифицированные протеиногенными и непротеиногенными аминокислотами.

Биосинтез нерибосомальных пептидов осуществляется большими мультиэнзимными системами, состоящими из модульных белков, каждый из которых содержит 1000--1500 аминокислотных остатков и действует как независимый фермент [3]. Основные положения о механизме нерибосомального биосинтеза были заложены ещё в 70-х годах прошлого столетия. нерибосомальный пептид противомикробный

Предполагалось, что биосинтез нерибосомальных пептидов осуществляется на тиоматрице, где происходит аденилирование субстратной аминокислоты, а затем связывание её с активной SНгруппой4'-фосфопантотеина (ФП), простетической группой белка-переносчика. При взаимодействии этого интермедиата с соседней тиоэтерифицированной аминокислотой серией реакций транспептидации и транслокации шаг за шагом удлиняется пептидный продукт.

В дальнейшем в результате многочисленных исследований были сформулированы модульные принципы строения и функционирования НРПС [4,5]. В общем случае НРПС представляет собой линейную конструкцию, состоящую из отдельных модулей, соединенных между собой короткими пептидами (пептиды коммуникационного взаимодействия) (ПКВ) [6]. Каждый модуль отвечает за включение в синтезированный продукт одной аминокислоты в той последовательности, в какой они запрограммированы в линейной конструкции, в большинстве своём подчиняясь правилу колинеарности на генном уровне [7]. Минимальный модуль состоит из трёх ферментов-доменов, связанных между собой небольшими пептидами-линкерами [2, 8, 9]. Домен А узнает и удерживает аминокислоту, соответствующую месту данного модуля в системе НРПС, в присутствии ионов магния и АТФ активирует её, превращая в аминоациладенилат [7]. Тиолирующий домен -- белок-переносчик (БП) связывает аминоациладенилат аминокислоты с SH-группой ФП и переносит её к каталитическому центру следующего модуля [3]. Образование пептидной связи катализируется конденсационным доменом С. В результате длина синтезируемого пептида увеличивается на одну аминокислоту с С-конца [9]. Крайний С-концевой модуль содержит домен тиоэстеразу (ТЕ), удаляющую готовый пептид с тиоматрицы. Модули могут также содержать эпимеразу, метилтрансферазуи др. [1]. В ряде случаев стартовый модуль дополнен доменом ацилирования N-концевой аминокислоты жирной кислотой [10].

Нерибосомные пептиды подразделяются на несколько функциональных групп в зависимости от области их применения [11]:

* антибиотики (ванкомицин);

* предшественники антибиотиков (ACV-трипептид -- предшественник пенициллина и цефалоспорина);

* иммуносупрессоры (циклоспорин);

* противоопухолевые пептиды (блеомицин);

* сидерофоры (пиовердин);

* токсины (HC-токсин);

* сурфактанты (сурфактин).

Действите всех антибикробных пептидов сводится к нескольким общим эффектам:

* Действует как на грамположительные, так и на грамотрицательные микроорганизмы

* Проявляют фунгицидную, инсектицидную, противовирусную, цитотоксическую (гемолитическую) активность

* Наличие специфической молекулярной мишени в мембране клетки увеличивает активность АП

* В модельных мембранах формируют поры и ионные каналы

* Разрушают целостность клеточных мембран

Одним из самых известных препаратов-антибиотиков, основанных на нерибосомальных пептидах, является ванкомицин. На данный момент он является наименее преодолимым для суперрезистентных бактерий. Именно изза таких свойств препарата он получил статус "антибиотика стратегического запаса", "лекарства последней надежды". Механизм его бактерицидного действия обусловлен ингибированием биосинтеза клеточной стенки. Кроме того, ванкомицин может изменять проницаемость клеточной мембраны бактерий и изменять синтез РНК.

Ванкомицин активен в отношении грамположительных микроорганизмов, включая гетерогенные метициллин-устойчивые штаммы), Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae(включая пенициллин-устойчивые штаммы), Streptococcus agalactiae, Streptococcus viridans, Streptococcus bovis и Enterococcus spp. (Enterococcus faecalis); Clostridium difficile (в том числе штаммы, вызывающие псевдомембранозный энтероколит), Corynebacterium diphtheriae. К другим микроорганизмам, которые чувствительны к ванкомицину относятся Listeria monocytogenes, роды бактерий Lactobacillus, Actinomyces, Clostridium spp. и Bacillus spp. In vitro некоторые изолированные штаммы энтерококков и стафилококков проявляют устойчивость к ванкомицину. Комбинация ванкомицина и аминогликозидов обладает синергизмом in vitro в отношении многих штаммов Staphylococcus aureus, Streptococcus viridans, Enterococcus spp., Streptococcus spp. (за исключением принадлежащих серогруппе D). Ванкомицин неактивен in vitro в отношении грамотрицательных микроорганизмов, микобактерий и грибов.

Таким образом, из-за высокой противомикробной активности нерибосомных пептидов именно эти соединения имеют значительную перспективу для фармакологии и медицины. Стимулом для этого должен стать поиск новых продуцентов и новых, неизвестных еще науке, нерибосомных пептидов. Это является одним из современных направлений науки в борьбе с мультирезистентностью микроорганизмов.

Список литературы

1. Grьznewald Y., Marahiel M. A. Chemoenzymatic and tample-directed synthesis of bioactive macrocyclic peptides // Microbiol. Mol.Biol. Revs. 2006; V.70, № 1. P.121--146.

2. Strieker M., Marahiel M. A. The structural diversity of acidic lipopeptide Antibiotics // Chem. Biochem. , 2009. V. 10, № 4. P. 607--616.

3. Stein T., Vater J., Kruft V. et al. The multiple carrier model of nonribosomal peptide biosynthesis at modular multienzymatic templates // J. Biol.

Chem., 1996. V. 271, № 26. P. 15428--435.

4. Conti E., Stachelhaus T., Marahiel M. A., Brick P. Structural basis for the activation of phenylalanine in the non-ribosomal biosynthesis of gramicidin S // EMBO J. 1997. V. 16. P. 4174--4183.

5. Lautru S., Challis G. L. Substrate recognition by nonribosomal peptide synthetase multi-enzymes // Microbiology. 2004, V. 150, № 6. P. 1629--1636.

6. Hahn M., Stachelhaus T. Selective interaction between nonribosomal peptidesynthetases is facilitated by short communication-mediating domains // Proc. Natl. Acad. Sci., 2004. V. 101, № 44. P. 15585--15590.

7. Stachelhaus T., Mootz H. D., Marahiel M. A. The specificity-conferring code of adenylation domains in nonribosomal peptide synthetases // Сhem. Biol., 1999. V. 6, № 8. P. 493--505.

8. Wu C-Y., Chen C-L., Lee Y-C. et al. Nonribosomal synthesis of fengycin on an enzyme complex formed by fengycinsynthetases // J. Biol. Chem. 2007. V. 282, № 8. P. 5608--5621.

9. Chiocchini C., Linne U., Stachelhaus T. In vivo biocombinatorial synthesis oflipopeptides by COM domain-mediated reprogramming of the surfactin biosynthetic complex// Chem.Biol., 2006. V. 13, № 8. P. 899--908.

10.Stachelhaus T., Mootz H. D., Bergendahl V., Marahiel M. A. Peptide bond formation in nonribosomal peptide biosynthesis. Catalytic role of the condensation domain // J. Biol.Chem., 1998.V. 273, № 35. P. 22773--22781.

11. Caboche S., Pupin M., Leclиre V., Fontaine A., Jacques P., Kucherov G. NORINE: a database of nonribosomal peptides // Nucleic Acids Res., 2008. V. 36, D326-D331.

Размещено на Allbest.ru