Tai atskleidė slaptą darbo yatakemitsina - galingas toksinas veikia ant DNR • Arkadijus Kuramshin • Mokslo Naujienos apie "Elements" • Chemija

Atskleidė iatakemicino – galingo toksino, veikiančio DNR, darbo paslaptį

Pav. 1. Yatakhemicino ir DNR surišimo modelis. Kairėje: Molekulinės sąveikos tarp DNR molekulės CH jungčių (spiralės sritys yra virš ir žemiau yatakemicino molekulės) ir yatakemicino ata elektronų žemėlapis. DNR vandenilio atomai (baltos spalvos), sąveikauja su iatakemicinu punktyrinė linija. Dešinėje rodyklė nurodo glikozidinio ryšio (kovalentinio cheminio ryšio) padėtį, kuri jungiasi azoto baze, alkilinuoto yatachemicinu, su dezoksiribozės liekanomis. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioGamtos chemijos biologija

Vanderbilto universiteto mokslininkai sukūrė molekulinį mechanizmą, kurio dėka yatakemicinas, toksinas, kurį gamina daugybė dirvožemio bakterijų, užkerta kelią DNR replikacijai ir ląstelių dalijimui. Tyrimo metu gauti rezultatai ne tik paaiškina priežastis, dėl kurių yra didelis toksiškumas yatakemicinui, bet taip pat gali būti naudojamas yatakemicino vartojimui naujų vaistų kūrime.

Dirvožemyje, vandenyje ir kitose vietose paprastai atsiranda nematoma plika akis, tačiau vis dėlto egzistuoja sunki kova dėl egzistencijos: kaip ir gyvūnai bei augalai, mikroorganizmai konkuruoja dėl tų pačių maisto išteklių.Mikroorganizmai neturi nagų ir kardų, o jų karas tarpusavyje vyksta tyliai, nors ir ne mažiau dramatiškai. Bakterijos ar mikroskopiniai grybai kova tarpusavyje naudojant toksinus, cheminius ginklus. Su toksinų bakterijos gali pašalinti dėl išteklių ar apsinuodijimo kitų organizmų konkurenciją, o tada naudoti šiuos kūnus kaip maitinimo šaltinio.

Daugelis bakterinių toksinų yra pavojingi ne tik mikroorganizmams, bet ir didesniems gyviems daiktams – augalams ir gyvūnams, įskaitant žmones. Kai kurie iš toksinų, įvežamų į žmogaus kūną, yra pagrindinė veiksniai tam tikrų ligų vystymuisi, ir didelės koncentracijos, kai kuriais atvejais gali sukelti būklę, nėra suderinama su gyvenimu. Tokių toksinų yra botulino toksinas, kuris slopina acetilcholino ir sukelia raumenų paralyžius, enterotoksinams spaudai pažeisdama reguliavimo perdavimo elektrolitų ir lyderio dehidrataciją, taip pat lipopolisacharidų, kurie yra komponentai gramneigiamų bakterijų sienos: jie išleido ir pradėti daryti jos poveikį tik po mirties mikrobų (jų mažas kiekiai aktyvina žmonėms fagocitų, B limfocitų ir interferono gamybą).

Kalbant biochemijos ir molekulinės biologijos bakterinių toksinų yra skirstomi į dvi klases: endotoksinų ir exotoxins. Endotoksinai yra struktūriniai komponentai mikroorganizmo, išleistas po jo mirties, ir dažnai veikia iki kelių molekulių tikslų ir kaip kūno dalis (minėta pirmiau lipopolisacharidų – tai tik endotoksinai).

Exotoxins specialiai gaminamas mikroorganizmas kaip jos biocheminės apsaugos komponentas. Daugelis iš egzotoksino gali būti priskiriamas tam fiziniam antibiotiko – organinių junginių susintetintas mikroorganizmų ir galinti mažais kiekiais, kad būtų selektyviai toksinį poveikį kitų mikroorganizmų. Exotoxins, kaip taisyklė, veikia specifinį biocheminį tikslą. Būdas užpulti molekulinius taikinius tarp exotoxins galima išskirti membranotoksiny – toksinus, kad padidinti paviršiaus membranos ląstelių, neurotoxins, kuriais pažeidžiamos normalų, atsakingų už nervinių impulsų, ir DNR toksinų, perdavimo medžiagų pralaidumą – medžiagų, kurios sąveikauja su DNR ir slopina savo gebėjimo replikuotis.

Daugelio DNR toksinų veikimo mechanizmas grindžiamas tuo, kad šios medžiagos yra alkilinančios medžiagos, kurios lengvai sąveikauja su nukleino rūgšties azoto bazėmis. Pakeista nukleorūgštis negali būti atpažįstama fermentų baltymų, kurie yra atsakingi už jo replikaciją, ir DNR dubliavimosi nėra. DNR toksinų tyrimas yra įdomus biochemikams ir farmacininkams ne tiek dėl priešnuodžių, kurie slopina neigiamą šių medžiagų poveikį kūnui, bet ir dėl to, kad galima gauti vaistų remiantis bakterijų arba grybų eksotoksinais, veikiančiais DNR, kurie gali kovoti su piktybinėmis naviko ląstelėmis blokuojant jų DNR replikaciją ir todėl jų dauginimąsi.

Reikia pažymėti, kad ląstelė, kurios DNR yra "modifikuojama" su toksinu, ne visada gali būti laikoma pasmerkta: evoliucijos procese ląstelės sukūrė kelis remonto būdus – jų DNR molekulėse esančių cheminių pažeidimų pataisas, kurios buvo pakeistos dėl bet kokio poveikio. Jei DNR molekulė yra gana statiškoje būsenoje ir nėra įtraukta į replikacijos procesą, ląstelė ją "gali ištaisyti", remdamasi ekscentriniu bazių remontu ir nukleotidų pašalinimo remontu.

Abiejų tipų remontas yra būdingas tik dviguboms DNR molekulėms evoliucinėse jaunesniuose organizmuose (atkuriant evoliuciškai senas prokariotines bakterijas, kurių DNR molekulę sudaro tik viena grandis, tęsiasi pagal kitas schemas, kurios, kaip mes pastebime, daro šį vieną DNR grandinę labiau pažeidžiama išoriniams veiksniams). Abiejų procesų esmė yra tai, kad jie apima pašalintą pažeistą azoto bazę iš DNR ir vėlesnį normalios molekulės struktūros atkūrimą pagal papildomos grandinės informaciją. Skirtumas tarp jų yra tai, kad dažniausiai bazių išgręžimas koreguoja nedideles DNR klaidas, turinčias įtakos jos taško pokyčiams (keičiantis vieną azoto bazę), o nukleotidų pašalinimas gali ištaisyti pažeistą DNR segmentą, iš karto "taisant" keletą netinkamų azoto bazių.

Nepaisant to, labiausiai "klastingi" DNR toksinai vienu metu sujungiami į abi grandis dvigubos DNR, iškreipiančios jo erdvinę struktūrą. Toks formos pasikeitimas neleidžia fermentams, atsakingiems už ekscizijos remontą, atpažinti ir ištaisyti žalą, todėl DNR toksino, kuris jungiasi prie abiejų DNR sričių, poveikis iš tikrųjų išlieka "nuodijęs" ląstelių.Tikslinga, kad potencialių medžiagų, turinčių priešvėžinį aktyvumą, paieška turėtų būti tarp junginių, kurie jungiasi dviem DNR sluoksniais.

Tokie DNR toksinai yra yatakemicinas, išskirtinai toksiška medžiaga, kuri aktyviai alkilina DNR molekulę (2 pav.), Kuri turi antimikrobinį ir priešgrybelinį poveikį (Y. Igarashi ir kt., 2003). Yatakemicinas, naujasis priešgrybelinis antibiotikas, kurį gamina Streptomyces sp.) Ytakemicinas yra duokarmicino serijos (skaitykite: Duokarmicinas) eksotoksinas, kurį gamina kai kurie streptokokų dirvožemio tipai. Jie naudoja yatachemyciną, kad kovotų su varžovų bakterijomis.

Pav. 2 Aktyvaus DNR bazės alkilinimas su yatakemicinu. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Gamtos chemijos biologija

Yatakemicinas susijęs su eksotoksinais, kurie jau seniai buvo ištirti vartojant vėžio chemoterapiją: 1980-aisiais tapo žinoma, kad ši medžiaga slopina naviko ląstelių augimą, kartais jas sunaikina (David G. Martin ir kt., 1981. CC-1065 (NSC 298223), galingas naujas priešvėžinis agentas, pagerina gamybą ir išskyrimą, apibūdinimą ir priešvėžinius aktyvumus). Štai kaip vystosi šiuolaikiniai vaistiniai preparatai: 1920-aisiais ir 30-tieji metai medžiagų, kuriomis grybai ir bakterijos kovoja dėl egzistencijos, tyrimas paskatino antibiotikų kūrimą, ir šiandien žmonės vėl tyrinėja mikroorganizmų "cheminio karo" būdus tarpusavyje, bando rasti vaistų ne tik nuo infekcijų, bet ir nuo sunkesnių negalavimų.

DNR ir yatakemicino sąveikos produkto kristalografiniai ir spektriniai tyrimai leido Vanderbilt universiteto Brandto Eichmano grupei (Brandt Eichman) mokslininkams nustatyti, kad pagal jo veikimo mechanizmą yatachemicinas skiriasi nuo kitų DNR toksinų, kurie keičia DNR. Šis toksinas susiejamas su DNR molekulės azoto baze, turinčiu tik vieną kovalentinį cheminį ryšį (kiti DNR toksinai sąveikauja su DNR, tuo pačiu metu sudaro kelis tokius ryšius). Pagrindinė sąveikos rūšis, per kurią yatakemicinas deda į DNR grandines, yra silpnos tarpmolekulinės obligacijos, susidarančios tarp DNR molekulės CH jungčių ir toksino π-elektronų. Viena tokia tarpmolekulinė sąveika yra, žinoma, silpnesnė nei kovalentinis ryšys, tačiau daugelis iš jų sukelia labai stipraus abiejų DNR grandžių susiejimą su yatakemicinu (primenama senoji pasakojimas apie šiaudus, sujungtus į šluotą).

Paprastai tam, kad atskirtų vieną DNR grandinę iš kitos, reikalingas labai vidutinis šildymas – kažkur iki 40 ° C, bet DNR grandines, sujungtas su iatachemicinu, galima atskirti tik po to, kai DNR toksino aduktas buvo kaitinamas iki 85 ° C. Norint tai nustatyti, šildymo procese mokslininkai paėmė adductų spektrą, nustatydami spindulių būklę spektrose, nesvarbu, ar jie suporuoti, ar ne.

Kitas iatakemicino požymis yra tas, kad po kontakto su DNR jis beveik visur yra tarp dviejų lygiagrečių dvigubos molekulės grandinių, praktiškai nepakeičiant erdvės formos (žr. 1 pav.). Dėl šios priežasties fermentai, kurie kontroliuoja išardymo remonto procesą, neatsižvelgia į DNR toksino dalį kaip kažką nenormalios ir todėl net nesistengia ją ištaisyti.

Kyla klausimas – kodėl yatakemicinas yra saugus streptokokinėms bakterijoms, kurios jį gamina? Faktas yra tas, kad šios bakterijos išsivystė, mokosi gaminti specialų fermentą, kuris apsaugo juos nuo toksinų. Tai yra fermento, kontroliuojančio bazių, DNR glikozilazės, ekscentrinį remontą variantas. Šis fermentas paprastai ištaiso nedidelę DNR žalą, o ne tokie dideli defektai, kuriuos sukelia DNR sąveika su yatakemicinu, bet ir streptokokai – pakeista DNR glikozilazė yra patikima apsauga. Vieno iš pagrindinių streptokokų konkurentų – dirvožemio bakterijų glikozilazė Bacillus cereus – taip pat pasikeitė, tačiau šis pakeitimas numato B. cereus tik dalinė apsauga nuo iatakemicino.

Ateityje mokslininkų planai palyginti abiejų fermentų darbo mechanizmą. Galų gale, jei tiriant DNR toksinų veikimo mechanizmą dėl nukleino rūgščių gali būti naudinga kuriant naujus priešvėžinius ar priešgrybelinius vaistus, informacija apie tai, kaip įvairūs gyvieji organizmai yra apsaugoti nuo tokių toksinų, gali sukelti tokius vaistus mažiau pavojingus, todėl sumažėja neišvengiamos rizikos tikimybė šalutinių poveikių vartojimas.

Šaltinis: Elwood A. Mullins, Rongxin Shi ir Brandt F. Eichman. Toksiškumas yatakemicinui ir DNR produktų taisymas Gamtos chemijos biologija. 2017. DOI: 10.1038 / nchembio.2439.

Arkadijus Kuramshinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: