Вытяжной насос

Белковые комплексы, которые выводят соединения, обычно токсичные, из бактериальных клеток.

Белок TolC, компонент внешней мембраны трехчастного откачивающего насоса у Escherichia coli .

AcrB, другой компонент насоса, Escherichia coli .

Эффлюксный насос — это активный транспортер в клетках, который выводит нежелательный материал. Эффлюксные насосы являются важным компонентом бактерий , поскольку они способны удалять антибиотики. ^[1] Этим потоком также может быть перемещение тяжелых металлов, органических загрязнителей, соединений растительного происхождения, сигналов восприятия кворума, бактериальных метаболитов и нейротрансмиттеров . Все микроорганизмы, за некоторыми исключениями, имеют в геноме высококонсервативные последовательности ДНК, кодирующие откачивающие насосы. Эффлюксные насосы активно выводят вещества из микроорганизма в процессе, известном как активный отток, который является жизненно важной частью метаболизма ксенобиотиков . Этот активный механизм оттока отвечает за различные типы устойчивости к бактериальным патогенам внутри видов бактерий. Наибольшее беспокойство вызывает устойчивость к антибиотикам, поскольку микроорганизмы могут иметь адаптированные откачивающие насосы для отвода токсинов из цитоплазмы во внеклеточную среду. ^[2]

Системы оттока функционируют посредством энергозависимого механизма ( активный транспорт ) для откачивания нежелательных токсичных веществ через специальные насосы оттока. Некоторые системы оттока специфичны для лекарств, тогда как другие могут вмещать несколько лекарств с небольшими переносчиками множественной лекарственной устойчивости (SMR). ^{[3] [4]}

Эффлюксные насосы — белковые транспортеры, локализованные в цитоплазматической мембране всех видов клеток. Они являются активными переносчиками, а это означает, что для выполнения своей функции им требуется источник химической энергии. Некоторые из них являются первично-активными переносчиками , использующими гидролиз аденозинтрифосфата в качестве источника энергии, тогда как другие являются вторично-активными переносчиками ( унипортеры , симпортеры или антипортеры ), в которых транспорт связан с разностью электрохимических потенциалов , создаваемой закачкой ионов водорода или натрия в клетку.

Бактериальный

Бактериальные эффлюксные насосы подразделяются на пять основных суперсемейств в зависимости от их аминокислотной последовательности и источника энергии, используемого для экспорта их субстратов:

1. Суперсемейство главных фасилитаторов (MFS) ^[5]
2. Транспортеры ABC ^[5]
3. Малое семейство множественной лекарственной устойчивости (SMR) ^[5]
4. Суперсемейство резистентных узелково-клеточных делений (RND) ^[5]
5. Семейство мультиантимикробных экструзионных белков (MATE). ^[5]

Из них только суперсемейство ABC является первичными переносчиками, остальные являются вторичными переносчиками, использующими протонный или натриевый градиент в качестве источника энергии. В то время как MFS доминирует у грамположительных бактерий , семейство RND когда-то считалось уникальным для грамотрицательных бактерий. С тех пор они были найдены во всех крупных королевствах . ^[6]

Состав

Эффлюксные насосы обычно состоят из белка внешней мембраны, среднего периплазматического белка, белка внутренней мембраны и трансмембранного протока. Трансмембранный проток расположен на внешней мембране клетки. Проток также связан с двумя другими белками: белком периплазматической мембраны и интегральным мембранным транспортером. Белок периплазматической мембраны и белок внутренней мембраны системы связаны между собой и контролируют открытие и закрытие протока (канала). Когда токсин связывается с этим белком внутренней мембраны, белки внутренней мембраны запускают биохимический каскад, который передает сигналы белку периплазматической мембраны и белку внешней мембраны, чтобы открыть канал и вывести токсин из клетки. Этот механизм использует энергозависимое белок-белковое взаимодействие, которое генерируется переносом токсина на ион H+ переносчиком внутренней мембраны. ^[7] Полностью собранные структуры насоса AcrAB-TolC in vitro и in vivo были расшифрованы методами криоЭМ и криоЭТ. ^{[8] [9]}

Функция

Хотя антибиотики являются наиболее клинически важными субстратами откачивающих систем, вполне вероятно, что большинство откачивающих насосов имеют и другие естественные физиологические функции. Примеры включают в себя:

• Система оттока AcrAB E. coli , физиологическая роль которой заключается в выкачивании желчных кислот и жирных кислот для снижения их токсичности. ^[10]
• Насос Ptr семейства MFS у Streptomyces pristinaespiralis, по-видимому, является аутоиммунным насосом для этого организма, когда он включает выработку пристинамицинов I и II. ^[11]
• Предполагается, что система AcrAB-TolC в E. coli играет роль в транспорте компонентов кальциевых каналов в мембране E. coli . ^[12]
• Система MtrCDE играет защитную роль, обеспечивая устойчивость к фекальным липидам у ректальных изолятов Neisseria gonorrhoeae . ^[13]
• Система оттока AcrAB Erwinia amylovora важна для вирулентности этого организма , колонизации растения (хозяина) и устойчивости к растительным токсинам. ^[14]
• Компонент MexXY системы оттока нескольких лекарств MexXY-OprM P. aeruginosa индуцируется антибиотиками, воздействующими на рибосомы через продукт гена PA5471. ^[15]
• Также было показано, что эффлюксные насосы играют роль в образовании биопленок . Однако субстраты для таких насосов и влияют ли изменения в их эффлюксной активности прямо или косвенно на образование биопленок, еще предстоит определить. ^[16]

Способность эффлюксных систем распознавать большое количество соединений, отличных от их природных субстратов, вероятно, связана с тем, что распознавание субстрата основано на физико-химических свойствах, таких как гидрофобность , ароматичность и ионизируемый характер, а не на определенных химических свойствах, как в классическом ферменте - субстрате или лиганд - рецептор узнавания. Поскольку большинство антибиотиков представляют собой амфифильные молекулы, обладающие как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами, они легко распознаются многими откачивающими насосами. ^{[ нужна цитата ]}

Влияние на устойчивость к противомикробным препаратам

Влияние механизмов оттока на устойчивость к противомикробным препаратам велико; обычно это объясняется следующим:

• Генетические элементы, кодирующие откачивающие насосы, могут кодироваться на хромосомах и/или плазмидах , способствуя тем самым как внутренней (естественной), так и приобретенной резистентности соответственно . В качестве внутреннего механизма устойчивости гены эффлюксной помпы могут выживать в агрессивной среде (например, в присутствии антибиотиков), что позволяет отбирать мутантов , которые сверхэкспрессируют эти гены. Расположение на переносимых генетических элементах, таких как плазмиды или транспозоны , также выгодно для микроорганизмов, поскольку позволяет легко распространять гены оттока между отдаленными видами. ^[17]
• Антибиотики могут действовать как индукторы и регуляторы экспрессии некоторых откачивающих насосов. ^[15]
• Экспрессия нескольких эффлюксных насосов у данного вида бактерий может привести к широкому спектру резистентности при рассмотрении общих субстратов некоторых эффлюксных насосов с несколькими лекарственными средствами, где один эффлюксный насос может придавать устойчивость к широкому спектру противомикробных препаратов. ^[2]

Эукариотический

В эукариотических клетках существование откачивающих насосов было известно с момента открытия P-гликопротеина в 1976 году Джулиано и Лингом . ^[18] Откачивающие насосы являются одной из основных причин устойчивости к противораковым препаратам в эукариотических клетках. К ним относятся переносчики монокарбоксилатов (MCT), белки множественной лекарственной устойчивости (MDR), также называемые P-гликопротеинами, белки, ассоциированные с множественной лекарственной устойчивостью (MRP), пептидные переносчики (PEPT) и переносчики фосфата Na + (NPT). Эти транспортеры распределены вдоль определенных участков проксимальных канальцев почек, кишечника, печени, гематоэнцефалического барьера и других отделов головного мозга.

Ингибиторы

В настоящее время проводится несколько испытаний по разработке лекарств, которые можно назначать одновременно с антибиотиками и действовать как ингибиторы экструзии антибиотиков, опосредованной оттоком. На данный момент ни один ингибитор оттока не одобрен для терапевтического использования, но некоторые из них используются для определения распространенности оттока насосов в клинических изолятах и ​​в исследованиях клеточной биологии . Верапамил , например, используется для блокирования опосредованного P-гликопротеином оттока ДНК-связывающих флуорофоров , тем самым облегчая сортировку флуоресцентных клеток на предмет содержания ДНК. Было показано, что различные натуральные продукты ингибируют отток бактерий, включая каротиноиды капсантин и капсорубин , ^[19] флавоноиды ротенон и хризин , ^[19] и алкалоид лизергол . ^[20] Некоторые наночастицы , например оксид цинка , также ингибируют бактериальные насосы. ^[21]

Смотрите также

• Устойчивость к антибиотикам

Рекомендации

1. Шарма А., Гупта В.К., Патания Р. (февраль 2019 г.). «Ингибиторы эффлюксной помпы бактериальных патогенов: от скамьи до постели». Индийский J Med Res . 149 (2): 129–145. doi : 10.4103/ijmr.IJMR_2079_17 . ПМК  6563736 . ПМИД  31219077.
2. Бланко П., Эрнандо-Амадо С., Реалес-Кальдерон Х.А., Корона Ф., Лира Ф., Алькальде-Рико М., Бернардини А., Санчес М.Б., Мартинес Х.Л. (февраль 2016 г.). «Бактериальные насосы для оттока нескольких лекарств: гораздо больше, чем просто факторы, определяющие устойчивость к антибиотикам». Микроорганизмы . 4 (1): 14. doi : 10.3390/microorganisms4010014 . ПМК 5029519 . ПМИД  27681908. 
3. Бэй, округ Колумбия, Тернер Р.Дж. (2016). Маленькие отточные насосы для множественной лекарственной устойчивости . Швейцария: Международное издательство Springer. п. 45. ИСБН 978-3-319-39658-3.
4. Сунь Дж, Дэн З, Ян А (октябрь 2014 г.). «Бактериальные насосы для оттока нескольких лекарств: механизмы, физиология и фармакологическое применение». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 453 (2): 254–67. дои : 10.1016/j.bbrc.2014.05.090 . ПМИД  24878531.
5. Delmar JA, Су CC, Ю EW (2014). «Бактериальные переносчики оттока нескольких лекарств». Ежегодный обзор биофизики . 43 : 93–117. doi : 10.1146/annurev-biophys-051013-022855. ПМК 4769028 . ПМИД  24702006. 
6. Любельски Дж., Конингс В.Н., Дриссен А.Дж. (сентябрь 2007 г.). «Распределение и физиология транспортеров ABC-типа, способствующих множественной лекарственной устойчивости бактерий». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 71 (3): 463–76. дои : 10.1128/MMBR.00001-07. ПМК 2168643 . ПМИД  17804667. 
7. Угачукву П., Унекве П. (июль 2012 г.). «Сопротивление, опосредованное эффлюксным насосом, в химиотерапии». Анналы исследований в области медицины и здравоохранения . 2 (2): 191–8. дои : 10.4103/2141-9248.105671 . ПМЦ 3573517 . ПМИД  23439914. 
8. Ван З, Фан Г, Хрик С.Ф., Блаза Ю.Н., Серышева II, Шмид М.Ф., Чиу В., Луизи Б.Ф., Ду Д (29 марта 2017 г.). «Аллостерический транспортный механизм для эффлюксного насоса с несколькими лекарствами AcrAB-TolC». электронная жизнь . 6 . дои : 10.7554/eLife.24905 . ПМК 5404916 . ПМИД  28355133. 
9. Ши X, Чен М, Ю З, Белл Дж. М., Ван Х, Форрестер I, Вильярреал Х, Джакана Дж, Ду Д, Луизи Б. Ф., Лудтке С. Дж., Ван З (14 июня 2019 г.). «Конструкция и сборка эффлюксного насоса для нескольких лекарств AcrAB-TolC на месте». Природные коммуникации . 10 (1): 2635. Бибкод : 2019NatCo..10.2635S. дои : 10.1038/s41467-019-10512-6 . ПМК 6570770 . ПМИД  31201302. 
10. Окусу Х., Ма Д., Никайдо Х. (январь 1996 г.). «Эффлюксный насос AcrAB играет важную роль в фенотипе устойчивости к антибиотикам мутантов Escherichia coli с множественной устойчивостью к антибиотикам (Mar)». Журнал бактериологии . 178 (1): 306–8. дои : 10.1128/jb.178.1.306-308.1996. ПМК 177656 . ПМИД  8550435. 
11. Веккьоне Дж. Дж., Александр Б., Селло Дж. К. (ноябрь 2009 г.). «Два различных основных насоса оттока лекарств из суперсемейства посредников опосредуют устойчивость к хлорамфениколу у Streptomyces coelicolor». Антимикробные средства и химиотерапия . 53 (11): 4673–7. дои : 10.1128/AAC.00853-09. ПМЦ 2772354 . ПМИД  19687245. 
12. Ду Д., Ван З., Джеймс Н.Р., Восс Дж.Э., Климонт Э., Охене-Адьей Т., Вентер Х., Чиу В., Луизи Б.Ф. (май 2014 г.). «Структура эффлюксного насоса для нескольких лекарств AcrAB-TolC». Природа . 509 (7501): 512–5. Бибкод : 2014Natur.509..512D. дои : 10.1038/nature13205. ПМК 4361902 . ПМИД  24747401. 
13. Рукетт С., Хармон Дж.Б., Шафер В.М. (август 1999 г.). «Индукция откачивающей насосной системы Neisseria gonorrhoeae, кодируемой mtrCDE, требует MtrA, AraC-подобного белка». Молекулярная микробиология . 33 (3): 651–8. дои : 10.1046/j.1365-2958.1999.01517.x . ПМИД  10417654.
14. Плетцер Д., Вайнгарт Х. (январь 2014 г.). «Характеристика AcrD, многолекарственного откачивающего насоса типа резистентных узелково-клеточных клеток из возбудителя бактериального ожога Erwinia amylovora». БМК Микробиология . 14:13 . дои : 10.1186/1471-2180-14-13 . ПМЦ 3915751 . ПМИД  24443882. 
15. Морита И., Собел М.Л., Пул К. (март 2006 г.). «Индуцируемость антибиотиками системы оттока нескольких лекарств MexXY Pseudomonas aeruginosa: участие индуцируемого антибиотиком генного продукта PA5471». Журнал бактериологии . 188 (5): 1847–55. дои : 10.1128/JB.188.5.1847-1855.2006. ПМЦ 1426571 . ПМИД  16484195. 
16. Алав I, Саттон Дж. М., Рахман К. М. (февраль 2018 г.). «Роль бактериальных эффлюксных насосов в образовании биопленок». Журнал антимикробной химиотерапии . 73 (8): 2003–2020. дои : 10.1093/jac/dky042 . ПМИД  29506149.
17. Ли XZ, Плезиа П, Никайдо Х (апрель 2015 г.). «Проблема устойчивости грамотрицательных бактерий к антибиотикам, опосредованной оттоком». Обзоры клинической микробиологии . 28 (2): 337–418. дои : 10.1128/CMR.00117-14. ПМК 4402952 . ПМИД  25788514. 
18. Джулиано Р.Л., Линг В. (ноябрь 1976 г.). «Поверхностный гликопротеин, модулирующий проницаемость лекарств в мутантах клеток яичника китайского хомячка». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 455 (1): 152–62. дои : 10.1016/0005-2736(76)90160-7. ПМИД  990323.
19. Молнар Дж., Энги Х., Хохманн Дж., Молнар П., Дели Дж., Весоловска О., Михалак К., Ван К. (2010). «Обращение множественной лекарственной устойчивости с помощью натуральных веществ растений». Актуальные темы медицинской химии . 10 (17): 1757–68. дои : 10.2174/156802610792928103. ПМИД  20645919.
20. Cushnie TP, Cushnie B, Lamb AJ (ноябрь 2014 г.). «Алкалоиды: обзор их антибактериальной, усиливающей действие антибиотиков и противовирусной активности» (PDF) . Международный журнал противомикробных средств . 44 (5): 377–86. doi :10.1016/j.ijantimicag.2014.06.001. PMID  25130096. S2CID  205171789.
21. Баное М., Сейф С., Назари З.Е., Джафари-Фешараки П., Шахверди Х.Р., Мобаллег А., Могаддам К.М., Шахверди А.Р. (май 2010 г.). «Наночастицы ZnO усиливают антибактериальную активность ципрофлоксацина против золотистого стафилококка и кишечной палочки» (PDF) . Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть B: Прикладные биоматериалы . 93 (2): 557–61. дои : 10.1002/jbm.b.31615. ПМИД  20225250.