Эффлюксный насос

Белковые комплексы, которые выводят соединения, как правило, токсичные, из бактериальных клеток.

Белок TolC, компонент внешней мембраны трехкомпонентного эффлюксного насоса в 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 в их способности удалять антибиотики. ^[1] Эффлюкс также может быть перемещением тяжелых металлов, органических загрязнителей, соединений растительного происхождения, сигналов кворума, бактериальных метаболитов и нейротрансмиттеров . Все микроорганизмы, за некоторыми исключениями, имеют высококонсервативные последовательности ДНК в своем геноме, которые кодируют эффлюксные насосы. Эффлюксные насосы активно выводят вещества из микроорганизма в процессе, известном как активный эффлюкс, который является важной частью метаболизма ксенобиотиков . Этот активный механизм эффлюкса отвечает за различные типы устойчивости к бактериальным патогенам внутри видов бактерий — наиболее тревожной является устойчивость к антибиотикам, поскольку микроорганизмы могут адаптировать эффлюксные насосы для отвода токсинов из цитоплазмы во внеклеточную среду. ^[2]

Системы эффлюкса функционируют через энергозависимый механизм ( активный транспорт ), чтобы выкачивать нежелательные токсичные вещества через определенные насосы эффлюкса. Некоторые системы эффлюкса являются специфическими для лекарств, тогда как другие могут вмещать несколько лекарств с небольшими транспортерами множественной лекарственной устойчивости (SMR). ^{[3] [4]}

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

Бактериальный

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

1. Суперсемейство основных посредников (MFS) ^[5]
2. Транспортеры ABC ^[5]
3. Малое семейство с множественной лекарственной устойчивостью (SMR) ^[5]
4. Суперсемейство резистентности -клубенькования-деления клеток (RND) ^[5]
5. Семейство белков мультиантимикробной экструзии (MATE). ^[5]

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

Структура

Эффлюксные насосы обычно состоят из белка внешней мембраны , среднего периплазматического белка, белка внутренней мембраны и трансмембранного протока. Трансмембранный проток расположен во 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 для управления открытием и закрытием протока (канала). Когда токсин связывается с этим белком внутренней мембраны, белки внутренней мембраны вызывают биохимический каскад, который передает сигналы белку периплазматической мембраны и белку внешней мембраны, чтобы открыть канал и вывести токсин из клетки. Этот механизм использует энергозависимое взаимодействие белок-белок, которое генерируется путем переноса токсина для иона H+ внутренним мембранным транспортером. ^[7] Полностью собранные in vitro и in vivo структуры насоса AcrAB-TolC были решены с помощью криоЭМ и криоЭТ. ^{[8] [9]}

Функция

Хотя антибиотики являются наиболее клинически важными субстратами эффлюксных систем, вероятно, что большинство эффлюксных насосов имеют другие естественные физиологические функции. Примеры включают:

• Система оттока E. coli AcrAB, физиологическая роль которой заключается в откачке желчных кислот и жирных кислот для снижения их токсичности. ^[10]
• Насос Ptr семейства MFS в 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 в ректальных изолятах Neisseria gonorrhoeae . ^[13]
• Система оттока AcrAB у Erwinia amylovora важна для вирулентности этого организма , колонизации растения (хозяина) и устойчивости к растительным токсинам. ^[14]
• Компонент MexXY системы множественного оттока лекарств MexXY-OprM P. aeruginosa индуцируется антибиотиками, которые воздействуют на рибосомы через продукт гена PA5471. ^[15]
• Было также показано, что эффлюксные насосы играют роль в формировании биопленки . Однако субстраты для таких насосов и то, влияют ли изменения в их эффлюксной активности на формирование биопленки напрямую или косвенно, еще предстоит определить. ^[16]

Способность систем эффлюкса распознавать большое количество соединений, отличных от их естественных субстратов, вероятно, обусловлена ​​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 распознавании фермента - субстрата или лиганда - рецептора . Поскольку большинство антибиотиков являются амфифильными молекулами - обладающими как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами - они легко распознаются многими насосами эффлюкса. ^{[ необходима цитата ]}

Влияние на устойчивость к противомикробным препаратам

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

• Генетические элементы , кодирующие эффлюксные насосы, могут быть закодированы на хромосомах и/или плазмидах , таким образом способствуя как внутренней (естественной), так и приобретенной устойчивости соответственно. Как внутренний механизм устойчивости, гены эффлюксных насосов могут выживать во враждебной 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 эффлюкса между отдаленными видами. ^[17]
• Антибиотики могут действовать как индукторы и регуляторы экспрессии некоторых эффлюксных насосов. ^[15]
• Экспрессия нескольких эффлюксных насосов у определенного вида бактерий может привести к широкому спектру резистентности, если учесть общие субстраты некоторых мультилекарственных эффлюксных насосов, где один эффлюксный насос может вызывать резистентность к широкому спектру противомикробных препаратов. ^[2]

Эукариотические

В эукариотических клетках существование эффлюксных насосов было известно с момента открытия P-гликопротеина в 1976 году Джулиано и Лингом . ^[18] Эффлюксные насосы являются одной из основных причин устойчивости к противораковым препаратам в эукариотических клетках. Они включают монокарбоксилатные транспортеры (MCT), белки множественной лекарственной устойчивости (MDR), также называемые P-гликопротеином, белки, ассоциированные с множественной лекарственной устойчивостью (MRP), пептидные транспортеры (PEPT) и Na+ фосфатные транспортеры (NPT). Эти транспортеры распределены вдоль определенных участков почечного проксимального канальца, кишечника, печени, гематоэнцефалического барьера и других частей мозга.

Ингибиторы

В настоящее время проводится несколько испытаний для разработки препаратов, которые можно совместно вводить с антибиотиками, чтобы они действовали как ингибиторы эффлюкс-опосредованной экструзии антибиотиков. Пока ни один ингибитор эффлюкса не был одобрен для терапевтического использования, но некоторые из них используются для определения распространенности эффлюксных насосов в клинических изолятах и ​​в исследованиях клеточной биологии . Например, верапамил используется для блокирования опосредованного P-гликопротеином эффлюкса ДНК-связывающих флуорофоров , тем самым облегчая флуоресцентную сортировку клеток по содержанию ДНК. Было показано, что различные натуральные продукты ингибируют бактериальные эффлюксные насосы, включая каротиноиды капсантин и капсорубин ^[19], флавоноиды ротенон и хризин ^[19] и алкалоид лизергол ^[20] . Некоторые наночастицы , например, оксид цинка , также ингибируют бактериальные эффлюксные насосы ^{[21] .}

Смотрите также

• Устойчивость к антибиотикам

Ссылки

1. Шарма А., Гупта В.К., Патания Р. (февраль 2019 г.). «Ингибиторы эффлюксной помпы для бактериальных патогенов: от скамейки до постели больного». Indian J Med Res . 149 (2): 129–145. doi : 10.4103/ijmr.IJMR_2079_17 . PMC  6563736. PMID  31219077 .
2. Blanco P, Hernando-Amado S, Reales-Calderon JA, Corona F, Lira F, Alcalde-Rico M, Bernardini A, Sanchez MB, Martinez JL (февраль 2016 г.). «Бактериальные многокомпонентные эффлюксные насосы: гораздо больше, чем детерминанты устойчивости к антибиотикам». Microorganisms . 4 (1): 14. doi : 10.3390/microorganisms4010014 . PMC 5029519 . PMID  27681908. 
3. Bay DC, Turner RJ (2016). Малые насосы для оттока при множественной лекарственной устойчивости . Швейцария: Springer International Publishing. стр. 45. ISBN 978-3-319-39658-3.
4. Sun J, Deng Z, Yan A (октябрь 2014 г.). «Бактериальные многокомпонентные эффлюксные насосы: механизмы, физиология и фармакологическое использование». Biochemical and Biophysical Research Communications . 453 (2): 254–67. doi : 10.1016/j.bbrc.2014.05.090 . PMID  24878531.
5. Delmar JA, Su CC, Yu EW (2014). «Бактериальные транспортеры множественного эффлюкса лекарств». Annual Review of Biophysics . 43 : 93–117. doi :10.1146/annurev-biophys-051013-022855. PMC 4769028. PMID  24702006 . 
6. Lubelski J, Konings WN, Driessen AJ (сентябрь 2007 г.). «Распределение и физиология транспортеров типа ABC, способствующих множественной лекарственной устойчивости у бактерий». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 71 (3): 463–76. doi :10.1128/MMBR.00001-07. PMC 2168643. PMID 17804667  . 
7. Ughachukwu P, Unekwe P (июль 2012 г.). «Резистентность, опосредованная эффлюксной помпой при химиотерапии». Annals of Medical and Health Sciences Research . 2 (2): 191–8. doi : 10.4103/2141-9248.105671 . PMC 3573517. PMID  23439914 . 
8. Wang Z, Fan G, Hryc CF, Blaza JN, Serysheva II, Schmid MF, Chiu W, Luisi BF, Du D (29 марта 2017 г.). "Аллостерический транспортный механизм для многокомпонентного эффлюксного насоса AcrAB-TolC". eLife . 6 . doi : 10.7554/eLife.24905 . PMC 5404916 . PMID  28355133. 
9. Shi X, Chen M, Yu Z, Bell JM, Wang H, Forrester I, Villarreal H, Jakana J, Du D, Luisi BF, Ludtke SJ, Wang Z (14 июня 2019 г.). "In situ структура и сборка многокомпонентного эффлюксного насоса AcrAB-TolC". Nature Communications . 10 (1): 2635. Bibcode :2019NatCo..10.2635S. doi : 10.1038/s41467-019-10512-6 . PMC 6570770 . PMID  31201302. 
10. Okusu H, Ma D, Nikaido H (январь 1996 г.). «Эффлюксный насос AcrAB играет важную роль в фенотипе устойчивости к антибиотикам у мутантов Escherichia coli с множественной устойчивостью к антибиотикам (Mar)». Журнал бактериологии . 178 (1): 306–8. doi :10.1128/jb.178.1.306-308.1996. PMC 177656. PMID 8550435  . 
11. Vecchione JJ, Alexander B, Sello JK (ноябрь 2009 г.). «Два отдельных основных суперсемейства насосов оттока лекарств опосредуют устойчивость к хлорамфениколу у Streptomyces coelicolor». Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 53 (11): 4673–7. doi :10.1128/AAC.00853-09. PMC 2772354 . PMID  19687245. 
12. Du D, Wang Z, James NR, Voss JE, Klimont E, Ohene-Agyei T, Venter H, Chiu W, Luisi BF (май 2014 г.). «Структура многокомпонентного эффлюксного насоса AcrAB-TolC». Nature . 509 (7501): 512–5. Bibcode :2014Natur.509..512D. doi :10.1038/nature13205. PMC 4361902 . PMID  24747401. 
13. Rouquette C, Harmon JB, Shafer WM (август 1999). «Для индукции системы эффлюксного насоса, кодируемой mtrCDE, Neisseria gonorrhoeae требуется MtrA, белок, подобный AraC». Молекулярная микробиология . 33 (3): 651–8. doi : 10.1046/j.1365-2958.1999.01517.x . PMID  10417654.
14. Плетцер Д., Вайнгарт Х. (январь 2014 г.). «Характеристика AcrD, мультилекарственного эффлюксного насоса типа резистентности-клубенькования-деления клеток из возбудителя бактериального ожога Erwinia amylovora». BMC Microbiology . 14 : 13. doi : 10.1186/1471-2180-14-13 . PMC 3915751. PMID  24443882 . 
15. Morita Y, Sobel ML, Poole K (март 2006 г.). «Антибиотическая индуцируемость системы множественного оттока лекарств MexXY Pseudomonas aeruginosa: участие индуцируемого антибиотиками продукта гена PA5471». Journal of Bacteriology . 188 (5): 1847–55. doi :10.1128/JB.188.5.1847-1855.2006. PMC 1426571 . PMID  16484195. 
16. Alav I, Sutton JM, Rahman KM (февраль 2018 г.). «Роль бактериальных эффлюксных насосов в формировании биопленки». Журнал антимикробной химиотерапии . 73 (8): 2003–2020. doi : 10.1093/jac/dky042 . PMID  29506149.
17. Li XZ, Plésiat P, Nikaido H (апрель 2015 г.). «Проблема устойчивости к антибиотикам, опосредованной эффлюксом, у грамотрицательных бактерий». Clinical Microbiology Reviews . 28 (2): 337–418. doi :10.1128/CMR.00117-14. PMC 4402952. PMID 25788514  . 
18. Джулиано Р. Л., Линг В. (ноябрь 1976 г.). «Поверхностный гликопротеин, модулирующий проницаемость лекарственных средств в мутантах клеток яичников китайского хомячка». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 455 (1): 152–62. doi :10.1016/0005-2736(76)90160-7. PMID  990323.
19. Molnár J, Engi H, Hohmann J, Molnár P, Deli J, Wesolowska O, Michalak K, Wang Q (2010). «Устранение множественной лекарственной устойчивости природными веществами из растений». Current Topics in Medicinal Chemistry . 10 (17): 1757–68. doi :10.2174/156802610792928103. PMID  20645919.
20. Cushnie TP, Cushnie B, Lamb AJ (ноябрь 2014 г.). «Алкалоиды: обзор их антибактериальной, антибиотической и противовирусной активности» (PDF) . International Journal of Antimicrobial Agents . 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.