Revealed hemmeligheden bag arbejdet med iatakemycin - et kraftigt toksin, der virker på DNA • Arkady Kuramshin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Kemi

Revealed hemmeligheden bag arbejdet med iatakemycin – et kraftigt toksin, der virker på DNA

Fig. 1. Model for binding af yatachemycin og DNA. Til venstre: et kort over de intermolekylære interaktioner mellem CH-bindingerne i DNA-molekylet (helixområderne er placeret over og under yatakemycinmolekylet) og ata-elektronerne af yatakemycinet. DNA-hydrogenatomer (hvid), interagerer med iatakemycin, fremhævet prikket linje. Til højre pilen indikerer positionen af ​​glycosidbindingen (kovalent kemisk binding), som binder den nitrogenholdige base alkyleret med yatachemycin med en deoxyriboserest. Figur fra den diskuterede artikel iNatur Kemisk Biologi

Forskere ved Vanderbilt University har etableret en molekylær mekanisme, hvorved yatakemycin, et toksin produceret af en række jordbakterier, forhindrer DNA-replikation og celledeling. Resultaterne opnået under undersøgelsen forklarer ikke kun årsagerne til yatakemycins ekstreme toksicitet, men kan også bruges til at anvende yatakemycin til udvikling af nye lægemidler.

I jorden, i vand og andre steder udbreder det usynlige blotte øje som regel, men alligevel er der en hård kamp for eksistensen: ligesom dyr og planter, konkurrerer mikroorganismer for de samme fødevareressourcer.Mikroorganismer har ikke kløer og fangs, og deres krig med hinanden foregår lydløst, men ikke mindre dramatisk. Bakterier eller mikroskopiske svampe kæmper hinanden ved hjælp af toksiner, de kemiske våben. Med hjælp af toksiner kan bakterier eliminere konkurrenter for ressourcer eller forgifte andre mikroorganismer for at bruge deres lig som fødekilde.

Mange af de bakterielle toksiner er farlige, ikke kun for mikroorganismer, men også for større levende ting – planter og dyr, herunder mennesker. Nogle toksiner, der kommer ind i menneskekroppen, bliver de førende faktorer i udviklingen af ​​visse sygdomme, og deres høje koncentration kan i nogle tilfælde føre til en tilstand, der er uforenelig med livet. Eksempler på sådanne toksiner er botulinumtoksin, som hæmmer frigivelsen af ​​acetylcholin og forårsager muskelforsinkelse, enterotoksiner, som forstyrrer reguleringen af ​​elektrolytoverførsel og fører til dehydrering såvel som lipopolysaccharider, som er komponenter af væggene i gram-negative bakterier: de frigiver og begynder at virke først efter mikrobernes død ( mængderne aktiverer produktionen af ​​phagocytter, B-lymfocytter og interferon hos mennesker).

Fra biokemisk og molekylærbiologisk synspunkt er bakterielle toksiner opdelt i to klasser: endotoksiner og exotoksiner. Endotoksiner er strukturelle bestanddele af en mikroorganisme, der frigives efter dens død, og oftest virker der på flere molekylære mål i kroppen (de ovennævnte lipopolysaccharider er blot endotoksiner).

Eksotoksiner fremstilles specifikt af mikroorganismen som en bestanddel af dens biokemiske beskyttelse. Mange af exotoxinerne kan henføres til naturlige antibiotika – organiske forbindelser syntetiseret af mikroorganismer og i små mængder at have en selektiv toksisk virkning på andre mikroorganismer. Eksotoksiner påvirker som regel et specifikt biokemisk mål. Ifølge typen af ​​angrebne molekylære mål indbefatter exotoksiner membrantoksiner – toksiner, der øger permeabiliteten af ​​overflademembranen af ​​celler, neurotoksiner, som forstyrrer normal funktion af stoffer, der er ansvarlige for transmissionen af ​​nerveimpulser og DNA, som hæmmer replikationsevne.

Virkningsmekanismen for de fleste DNA-toksiner er baseret på det faktum, at disse stoffer er alkyleringsmidler, som let interagerer med nitrogen-baserne af nukleinsyre. En nukleinsyre, der har undergået forandringer, kan ikke genkendes af enzymproteiner, der er ansvarlige for dens replikation, og DNA-duplikering forekommer ikke. Undersøgelsen af ​​DNA-toksiner er interessant for biokemikere og farmakologer ikke så meget med hensyn til udvikling af modgift, der undertrykker den negative virkning af sådanne stoffer på kroppen, men af ​​den grund, at det er muligt at opnå lægemidler på basis af bakterielle eller svampeeksotoksiner, der virker på DNA, der kunne bekæmpe maligne tumorceller ved at blokere replikationen af ​​deres DNA og derfor deres reproduktion.

Det skal bemærkes, at en celle, hvis DNA er "modificeret" med et toksin, ikke altid kan betragtes som dømt: i udviklingsprocessen udviklede cellerne flere metoder til reparation – reparation af kemiske skader i deres DNA-molekyler, der blev ændret som følge af en påvirkning. Hvis DNA-molekylet er i en relativt statisk tilstand og ikke er involveret i replikationsprocessen, kan cellen "reparere" den ved hjælp af excisionsreparation af baser og nukleotid-excisionsreparation.

Begge reparationsformer er kun i dobbeltstrengede DNA-molekyler i evolutionære unge organismer (reparation i evolutionært gamle prokaryotiske bakterier, hvis DNA-molekyle kun er repræsenteret af en kæde, fortsætter ifølge andre ordninger, som vi bemærker gøre denne enkelt-DNA-kæde mere sårbar over for eksterne faktorer). Essensen af ​​begge processer er, at de involverer fjernelse af beskadigede nitrogenbaserede baser fra DNA og den efterfølgende genoprettelse af molekylets normale struktur ifølge information fra den komplementære kæde. Og forskellen mellem dem er, at regelmæssig reparation af baser korrigerer små DNA-fejl, der påvirker dets punktændring (skiftende en kvælstofbaseret base), og excisionsreparationen af ​​nukleotider kan reparere det beskadigede DNA-segment ved straks at "reparere" flere forkerte kvælstofbaser.

Ikke desto mindre binder de mest "lumske" DNA-toksiner straks til begge tråde af dobbeltstrenget DNA, der fordrejer dets rumlige struktur. En sådan forandring i form tillader ikke, at de enzymer, der er ansvarlige for excisionsreparation, genkender og korrigerer skaden, og derfor er virkningen af ​​DNA-toksin, der binder til begge DNA-tråde, ikke en chance for en "forgiftet" celle.Det er rimeligt, at potentielle midler med antitumoraktivitet bør søges blandt forbindelserne, som binder to DNA-tråde.

Sådanne DNA-toksiner indbefatter yatakemycin, et usædvanligt giftigt stof, som aktivt alkylerer et DNA-molekyle (fig. 2), som har antimikrobielle og antifungale virkninger (Y. Igarashi et al., 2003. Yatakemycin, et novelt antifungal antibiotikum produceret af Streptomyces sp.). Ytakemycin er et exotoxin af duocarmycinserien (se: Duocarmycin), som produceres af nogle jordtyper streptokokker. De bruger yatachemycin til at bekæmpe rivaliserende bakterier.

Fig. 2. Alkylering af den nitrogeniske base af DNA med yatakemycin. Figur fra den diskuterede artikel i Natur Kemisk Biologi

Yatakemycin refererer til exotoksiner, som længe er blevet undersøgt til brug ved kræftkemoterapi: i 1980'erne blev det kendt, at dette stof hæmmer væksten af ​​tumorceller, nogle gange ødelægger dem (David G. Martin et al., 1981. CC-1065 (NSC 298223), en potent ny antitumor agent forbedret produktion og isolering, karakterisering og antitumoraktivitet). Sådan udvikler moderne lægemidler: i 1920'erne og 30'erne undersøgte undersøgelsen af ​​stoffer, hvorved svampe og bakterier kæmper for eksistens, til dannelsen af ​​antibiotika, og i dag studerer folk igen midlerne til "kemisk krigføring" af mikroorganismer med hinanden, forsøger at finde medicin ikke kun fra infektioner, men også mere alvorlige lidelser.

Krystallografiske og spektrale undersøgelser af produktet af interaktionen mellem DNA og yatakemycin tillod forskere fra Brandt Eichman-gruppen (Brandt Eichman) fra Vanderbilt University for at fastslå, at yatachemycin ved sin virkningsmekanisme er forskellig fra andre DNA-toksiner, der alkylater DNA. Dette toksin binder til DNA-molekylets kvælstofbase med kun en kovalent kemisk binding (andre DNA-toksiner interagerer med DNA, der danner flere sådanne bindinger på én gang). Den vigtigste form for interaktion, hvorigennem yatakemycin syr DNA-strenge, er svage intermolekylære bindinger, der opstår mellem CH-bindingerne i DNA-molekylet og π-elektronerne af toksinet. En sådan intermolekylær interaktion er naturligvis svagere end en kovalent binding, men et stort antal af dem fører til en meget stærk tværbinding af begge DNA-tråde med yatakemycin (en gammel lignelse om stænger, der er forbundet med en kost er tilbagekaldt).

Typisk at adskille en streng DNA fra en anden kræver meget moderat opvarmning – et sted op til 40 ° C, men det var muligt at rive DNA-kæderne bundet til iatachemycin fra hinanden først, efter at adduktet af DNA-toksin var opvarmet til 85 ° C. For at fastslå dette, i opvarmningsprocessen tog forskerne addukternes spektre og spore filamenternes tilstand i spektrene, uanset om de er parret eller ej.

Et andet træk ved iatakemycin er, at det efter næsten DNA-kontakt er næsten perfekt placeret mellem to parallelle kæder i et dobbeltstrenget molekyle, praktisk talt uden at ændre dens rumlige form (se figur 1). Af denne grund oplever de enzymer, der styrer excisionsreparationsprocessen, ikke den toksinsømede del af DNA som noget unormalt og forsøger derfor ikke engang at rette op på det.

Spørgsmålet opstår – hvorfor er yatakemycin sikkert for streptokokbakterier, der producerer det? Faktum er, at disse bakterier er udviklet og lærer at producere et specielt enzym, der beskytter dem mod toksin. Det er en variation af enzymet, der kontrollerer excisionsreparationen af ​​baser, DNA-glycosylase. Dette enzym korrigerer normalt mindre DNA-beskadigelse og ikke så store defekter, der skyldes interaktionen mellem DNA og yatakemycin, men for streptokokker er ændret DNA-glycosylase et pålideligt forsvar. Glycosylase af en af ​​de vigtigste konkurrenter af streptokokker – jordbakterier Bacillus cereus – også ændret, men denne ændring giver B. cereus kun delvis beskyttelse mod iatakemycin.

I fremtiden planlægger forskere sammenligning af mekanismen for arbejdet for begge enzymer. Hvis man studerer virkningsmekanismen for DNA-toksiner på nukleinsyrer, kan det være nyttigt at udvikle nye antitumor- eller svampedræbende stoffer. Oplysninger om hvordan forskellige levende organismer er beskyttet mod sådanne toksiner kan gøre sådanne stoffer mindre farlige, hvilket reducerer sandsynligheden for uundgåelig brug af bivirkninger.

Kilde: Elwood A. Mullins, Rongxin Shi & Brandt F. Eichman. Yatakemycin-toksicitet og reparation af DNA-produkter Natur Kemisk Biologi. 2017. DOI: 10,1038 / nchembio.2439.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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