stringtranslate.com

Пиоцианин

Пиоцианин (PCN − ) является одним из многих токсичных соединений, продуцируемых и секретируемых грамотрицательной бактерией Pseudomonas aeruginosa . Пиоцианин является синим вторичным метаболитом, который становится красным при pH ниже 4,9, со способностью окислять и восстанавливать другие молекулы [2] и, следовательно, убивать микробы, конкурирующие с P. aeruginosa , а также клетки млекопитающих легких, которые P. aeruginosa заразила во время муковисцидоза . [3] [4] Поскольку пиоцианин является цвиттерионом при pH крови, он легко может пересекать клеточную мембрану. Существует три различных состояния, в которых может существовать пиоцианин: окисленный (синий), моновалентно восстановленный (бесцветный) или дивалентно восстановленный (красный). Митохондрии играют важную роль в цикле пиоцианина между его окислительно-восстановительными состояниями. Благодаря своим окислительно-восстановительным свойствам пиоцианин генерирует активные формы кислорода .

Биосинтез

Биосинтез пиоцианина из Pseudomonas aeruginosa. Водороды, отщепляемые на следующем ферментативном этапе, окрашены в красный цвет.

Биосинтез пиоцианина начинается с синтеза ядра феназин-1-карбоновой кислоты (PCA). [5] В этой реакции фермент PhzE катализирует потерю гидроксильной группы из C4 хоризмовой кислоты, а также перенос аминогруппы из глутамина с образованием глутаминовой кислоты и 2-амино-2-дезоксиизохоризмовой кислоты (ADIC). [6] После этого PhzD катализирует гидролитическое удаление пируватного фрагмента из ADIC с образованием (5S,6S)-6-амино-5-гидрокси-1,3-циклогексадиев-1-карбоновой кислоты (DHHA). [6] На следующем этапе PhzF катализирует два этапа: отщепление водорода от C3 DHHA, делокализация системы двойных связей и репротонирование при C1, а также енольная таутомеризация с образованием крайне нестабильной 6-амино-5-оксоциклогекс-2-ен-1-карбоновой кислоты (AOCHC). [6] Отсюда две молекулы AOCHC конденсируются PhzB с образованием трициклического соединения, гексагидрофеназин-1,6-дикарбоновой кислоты (HHPDC). [6] Продукт этой реакции, HHPDC, нестабилен и спонтанно подвергается окислительному декарбоксилированию в некатализируемой реакции с образованием тетрагидрофеназин-1,6-карбоновой кислоты (THPCA). [6] На последнем этапе синтеза феназин-1-карбоновой кислоты фермент PhzG катализирует окисление THPCA в дигидрофеназин-1-карбоновую кислоту. [6] Это последний катализируемый этап в производстве PCA, последний этап - некатализируемое окисление DHPCA в PCA. [6] Превращение PCA в пиоцианин достигается за два ферментативных этапа: во-первых, PCA метилируется на N5 в 5-метилфеназин-1-карбоксилат бетаин ферментом PhzM с использованием кофактора S-аденозил-L-метионина, а во-вторых, PhzS катализирует гидроксилативное декарбоксилирование этого субстрата с образованием конечного продукта, пиоцианина. [5]

Хромосомы большинства штаммов P. aeruginosa несут два почти идентичных оперона, phzA1B1C1D1E1F1G1 и phzA2B2C2D2E2F2G2 , которые кодируют ферменты, необходимые для производства PCA. [7] Транскрипция этих оперонов контролируется системой quorum sensing , а точнее системой Pseudomonas Quinolone Signal (PQS), включающей транскрипционный регулятор MvfR (также известный как PqsR). Преобразование PCA в пиоцианин затем достигается продуктами phzS и phzS , которые являются уникальными генами в хромосоме. Биосинтез может быть нарушен путем нарушения пути aro , который необходим для синтеза хоризмовой кислоты из шикимата. [8]

Редокс-война

Пиоцианин инактивирует каталазу , снижая транскрипцию своего гена, а также напрямую воздействуя на сам фермент. Глутатион является важным антиоксидантом, модулируемым пиоцианином. [9] В частности, пул восстановленной формы истощается, в то время как окисленная форма стимулируется перекисью водорода, которая не дисмутируется каталазой. В легких при муковисцидозе внутриклеточный пиоцианин преобразует молекулярный кислород в свободный радикал супероксида, окисляя НАДФН до НАДФ + . Это оказывает двойное негативное воздействие на легкие. Во-первых, НАДФН, используемый пиоцианином, истощает доступный субстрат для реакции, катализируемой ферментом НАДФН-оксидазой . Во-вторых, образующийся радикал супероксида может ингибировать цитокины , такие как ИЛ-4 , ИЛ-13 и ИФН-γ , которые обычно повышают регуляцию НАДФН-оксидазы. Когда легкие сталкиваются с пиоцианином, наблюдается повышенная концентрация каталазы и супероксиддисмутазы , чтобы справиться с потоком образующихся радикалов. [10]

Цели

Пиоцианин способен воздействовать на широкий спектр клеточных компонентов и путей. Пути, на которые влияет пиоцианин, включают цепь переноса электронов , везикулярный транспорт и рост клеток. Повышенная восприимчивость к пиоцианину наблюдается в клетках с определенными мутантными белками или комплексами. Мутации в генах, влияющих на синтез и сборку V-АТФазы , [11] везикулярный транспортный аппарат и белковый сортировочный аппарат, все это придает повышенную чувствительность к пиоцианину, что еще больше усиливает воздействие на кистозный фиброз у пациента. Вакуолярная АТФаза в дрожжевых клетках является особенно мощной мишенью, поскольку она является основным немитохондриальным производителем АТФ, но также имеет множество других функций, таких как контроль гомеостаза кальция, облегчение рецепторно-опосредованного эндоцитоза и деградация белков. Таким образом, инактивация вакуолярной АТФазы перекисью водорода, вырабатываемой пиоцианином, имеет огромные последствия для легких. В дополнение к этим эффектам, другой целью пиоцианина являются протеазы, подобные каспазе 3, которые затем могут инициировать апоптоз и некроз . Митохондриальные переносчики электронов убихинон и никотиновая кислота также восприимчивы к пиоцианину. [12] Клеточный цикл может быть нарушен действием пиоцианина, и это может препятствовать пролиферации лимфоцитов . [13] Это делается путем генерации реактивных кислородных промежуточных продуктов , таких как перекись водорода и супероксид , которые вызывают окислительный стресс, напрямую повреждая ДНК или воздействуя на другие компоненты клеточного цикла, такие как механизмы рекомбинации и восстановления ДНК. Пиоцианин способствует диспропорции активности протеазы и антипротеазы, отключая ингибитор α 1 - протеазы.

Муковисцидоз

Многие исследования пришли к выводу, что пиоцианин оказывает угнетающее действие при муковисцидозе, что позволяет P. aeruginosa сохраняться в легких при муковисцидозе; он часто обнаруживается в мокроте пациентов с муковисцидозом. Пиоцианин in vitro обладает способностью влиять на такие функции, как биение ресничек, и, следовательно, вызывать эпителиальную дисфункцию, поскольку реснички необходимы для перемещения слизи по горлу. [14] Кроме того, апоптоз нейтрофилов , [15] высвобождение иммуноглобулина из В-лимфоцитов и высвобождение интерлейкина (например, IL-8 [16] и CCL5 ) нарушаются пиоцианином, ослабляя иммунную систему легких. Исследования in vivo показали, что рост грибка ингибируется в присутствии пиоцианина. [17] Фунгицидный механизм заключается в активации НАД(Ф)Н для индукции окислительно-восстановительного каскада, производящего реактивные кислородные промежуточные соединения. Это позволяет P. aeruginosa иметь конкурентное преимущество, поскольку она может доминировать над другими микроорганизмами в легких при кистозном фиброзе. Внутриклеточная концентрация АТФ также снижается пиоцианином, вызывая дальнейшее повреждение CFTR , которые уже нарушены при кистозном фиброзе. Каналы CFTR зависят от АТФ для двух основных целей. Во-первых, связывание и гидролиз АТФ должны происходить на двух доменах связывания нуклеотидов, чтобы канал мог перемещаться между своей открытой и закрытой конформацией. [18] Во-вторых, для того, чтобы канал функционировал, должно происходить фосфорилирование CFTR протеинкиназой А. PKA активируется цАМФ, который вырабатывается из АТФ. Оба эти процесса нарушаются, когда АТФ истощается пиоцианином.

Защита от пиоцианина

Caenorhabditis elegans обладает двумя специфическими транспортерами ABC, называемыми pgp-1 и pgp-2 , которые способны эффективно вытеснять внутриклеточный пиоцианин энергозависимым образом. [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Пиоцианин в Sigma-Aldrich
  2. ^ Хассан Х, Фридович И (1980). «Механизм действия антибиотика пиоцианина». Журнал бактериологии . 141 (1): 156–163. doi : 10.1128/JB.141.1.156-163.1980. PMC 293551. PMID  6243619. 
  3. ^ Lau G, Hassett D, Ran H, Kong F (2004). «Роль пиоцианина в инфекции Pseudomonas aeruginosa». Тенденции в молекулярной медицине . 10 (12): 1–666. doi :10.1016/j.molmed.2004.10.002. PMID  15567330.
  4. ^ Бритигин Б., Рейлсбэк А., Кокс Д. (1999). «Секретный продукт Pseudomonas aeruginosa пиоцианин инактивирует ингибитор протеазы α1: значение для патогенеза муковисцидоза легких». Инфекция и иммунитет . 67 (3): 1207–1212. doi :10.1128/IAI.67.3.1207-1212.1999. PMC 96448. PMID  10024562 . 
  5. ^ ab Mavrodi, DV; Bonsall, RF; Delaney, SM; Soule, MJ; Phillips, G.; Thomashow, LS (2001). "Функциональный анализ генов биосинтеза пиоцианина и феназин-1-карбоксамида из Pseudomonas aeruginosa PAO1". Journal of Bacteriology . 183 (21): 6454–6465. doi :10.1128/JB.183.21.6454-6465.2001. ISSN  0021-9193. PMC 100142 . PMID  11591691. 
  6. ^ abcdefg Бланкенфельдт, Вульф; Парсонс, Джеймс Ф. (2014). «Структурная биология биосинтеза феназина». Current Opinion in Structural Biology . 29 : 26–33. doi :10.1016/j.sbi.2014.08.013. ISSN  0959-440X. PMC 4268259 . PMID  25215885. 
  7. ^ Mavrodi D, Bonsall, R, Delaney, S, Soule, M, Phillips G & Thomashow, LS (2001). "Функциональный анализ генов биосинтеза пиоцианина и феназин-1-карбоксамида из Pseudomonas aeruginosa PAO1". Журнал бактериологии . 183 (21): 6454–6465. doi :10.1128/JB.183.21.6454-6465.2001. PMC 100142. PMID  11591691 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Denning G, Iyer S, Reszka K, O'Malley Y, Rasmussen G, Britigan B (2003). "Феназин-1-карбоновая кислота, вторичный метаболит Pseudomonas aeruginosa, изменяет экспрессию иммуномодулирующих белков эпителиальными клетками дыхательных путей человека". American Journal of Physiology . 285 (3): 584–L592. doi :10.1152/ajplung.00086.2003. PMID  12765878.
  9. ^ Muller M (2002). «Пиоцианин вызывает окислительный стресс в эндотелиальных клетках человека и модулирует окислительно-восстановительный цикл глутатиона». Free Radical Biology and Medicine . 33 (11): 1527–1533. doi :10.1016/S0891-5849(02)01087-0. PMID  12446210.
  10. ^ Huimin R, Hassett D & Lau G (2003). "Человеческие цели пиоцианина Pseudomonas aeruginosa". PNAS . 100 (24): 14315–14320. Bibcode : 2003PNAS..10014315R. doi : 10.1073/pnas.2332354100 . PMC 283589. PMID  14605211 . 
  11. ^ Ho M, Hirata R, Umemota N, Ohya Y, Takatsuki A, Stevens T, Anraku Y (1993). "VMA13 кодирует 54-кДа вакуолярную субъединицу H(+)ATPase, необходимую для активности, но не сборки ферментного комплекса в Saccharomyces cerevisiae". Журнал биологической химии . 268 (24): 18286–18292. doi : 10.1016/S0021-9258(17)46842-6 . PMID  8349704.
  12. ^ Hassett D, Woodruff W, Wozniak D, Vasil M, Cohen S, Ohman D (1993). «Клонирование и характеристика генов Pseudomonas aeruginosa soda и sodB, кодирующих кофакторы SOD марганца и железа: демонстрация повышенной активности дисмутазы Mn SOD у бактерий, продуцирующих альгинат». Journal of Bacteriology . 175 (23): 7658–65. doi :10.1128/jb.175.23.7658-7665.1993. PMC 206923 . PMID  8244935. 
  13. ^ Соренсен Р., Клингер Дж. (1987). «Биологические эффекты феназиновых пигментов Pseudomonas aeruginosa». Основные исследования и клинические аспекты Pseudomonas Aeruginosa . Антибиотики и химиотерапия. Т. 39. С. 113–124. doi :10.1159/000414339. ISBN 978-3-8055-4541-9. PMID  3118778. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  14. ^ Kanthakumar K, Taylor G, Tsang K, Cundell D, Rutman A, Smith S, Jeffery P, Cole P, Wilson R (1993). «Механизм действия пиоцианина Pseudomona aeruginosa на биение ресничек человека in vitro». Инфекция и иммунитет . 61 (7): 2848–2853. doi :10.1128/IAI.61.7.2848-2853.1993. PMC 280930. PMID  8390405 . 
  15. ^ Usher L, Lawson R, Gaery I, Taylor C, Bingle C, Taylor G, Whyte M (2002). «Индукция апоптоза нейтрофилов экзотоксином пиоцианином Pseudomonas aeruginosa: потенциальный механизм персистирующей инфекции». Журнал иммунологии . 168 (4): 1861–1868. doi : 10.4049/jimmunol.168.4.1861 . PMID  11823520. S2CID  12207823.
  16. ^ Denning G, Wollenweber L, Railsback M, Cox C, Stoll L, Britigan B (1998). «Pseudomonas pyocyanin увеличивает экспрессию интерлейкина-8 эпителиальными клетками дыхательных путей человека». Инфекция и иммунитет . 66 (12): 5777–5784. doi :10.1128/IAI.66.12.5777-5784.1998. PMC 108730. PMID  9826354 . 
  17. ^ Керр Дж., Тейлор Г., Рутман А., Хойби Н., Коул П., Уилсон Р. (1998). «Пиоцианин Pseudomonas aeruginosa и 1-гидроксифеназин подавляют рост грибков». Журнал клинической патологии . 52 (5): 385–387. doi :10.1136/jcp.52.5.385. PMC 1023078. PMID  10560362. 
  18. ^ Остедгаард С., Балдурссон О., Вермеер Д., Уэлш М., Робертсон А. (2001). «Регулирование трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза ClK-канала его доменом R». Журнал биологической химии . 276 (11): 7689–7692. doi : 10.1074/jbc.R100001200 . PMID  11244086.
  19. ^ Махаджан-Миклош С., Тан М., Рахме Л., Аусубель Ф. (1999). «Молекулярные механизмы бактериальной вирулентности, выявленные с использованием модели патогенеза Pseudomonas aeruginosa-Caenorhabditis elegans». Cell . 96 (1): 47–56. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80958-7 . PMID  9989496. S2CID  11207155.

Внешние ссылки