Розкрито секрет роботи ятакеміцину
Мал. 1.Модель зв'язування молекул ятакеміцину та ДНК.Зліва:карта міжмолекулярних взаємодій між CH-зв'язками молекули ДНК (ділянки спіралі знаходяться зверху та знизу від молекули ятакеміцину) та π-електронами ятакеміцину. Атоми водню ДНК (білі), що взаємодіють з ятакеміцином, виділеніпунктирною лінією.Справастрілкою вказано положення глікозидного зв'язку (ковалентного хімічного зв'язку), що зв'язує алкільоване ятакеміцином азотисту основу із залишком дезоксирибози. Малюнок з статті, що обговорюється вNature Chemical Biology
Дослідники з Університету Вандербільта встановили молекулярний механізм, за допомогою якого ятакеміцин — токсин, що виробляється рядом ґрунтових бактерій, — перешкоджає реплікації ДНК та поділу клітин. Отримані в ході дослідження результати не тільки пояснюють причини надзвичайної токсичності ятакеміцину, але також можуть бути використані для застосування ятакеміцину у розробці нових лікарських препаратів.
У ґрунті, воді та в інших місцях, як правило, розгортається не видима неозброєним оком, але тим не менш запекла боротьба за існування: подібно до тварин і рослин, мікроорганізми конкурують за одні й ті ж харчові ресурси. У мікроорганізмів немає пазур і іклів, та його війна друг з одним ведеться безшумно, хоча й менш драматично. Бактерії чи мікроскопічні гриби воюють один з одним, використовуючи «хімічну зброю» — токсини. За допомогою токсинів бактерії можуть усувати конкурентів за ресурси або отруювати інші мікроорганізми, щоб потім використовувати їх трупи як джерело живлення.
Багато бактеріальних токсинів небезпечні не тільки для мікроорганізмів, але ідля великих живих істот - рослин і тварин, у тому числі і людини. Деякі токсини, які у організм людини, стають провідними чинниками розвитку тих чи інших захворювань, а висока їх концентрація часом може призвести до стану, не сумісного із життям. Прикладами таких токсинів служать ботулотоксин, що пригнічує виділення ацетилхоліну і викликає параліч м'язів, ентеротоксини, що порушують регуляцію перенесення електролітів і призводять до зневоднення організму, а також ліпополісахариди, що є компонентами стінок грамнегативних бактерій: вони звільняються. кількості активізують у людей вироблення фагоцитів, В-лімфоцитів та інтерферону).
З точки зору біохімії та молекулярної біології бактеріальні токсини поділяються на два класи: ендотоксини та екзотоксини. Ендотоксини є структурними компонентами мікроорганізму, що вивільняються після його загибелі, і найчастіше впливають відразу на декілька молекулярних мішеней у складі організму (згадані вище ліпополісахариди — це ендотоксини).
Екзотоксини спеціально виробляються мікроорганізмом як компонент його біохімічного захисту. Багато екзотоксинів можна віднести до природних антибіотиків — органічних сполук, синтезованих мікроорганізмами і здатних у малих кількостях надавати вибіркову токсичну дію на інші мікроорганізми. Екзотоксини, зазвичай, впливають на певну біохімічну мета. За типом атакованих молекулярних мішеней серед екзотоксинів можна виділити мембранотоксини - токсини, що підвищують проникність поверхневої мембрани клітин, нейротоксини, які порушують нормальну роботу речовин, що відповідають за передачу нервових імпульсів, таДНК-токсини - речовини, що взаємодіють з ДНК і пригнічують її здатність до реплікації.
Механізм дії більшості ДНК-токсинів заснований на тому, що ці речовини є алкілуючі агенти, що легко взаємодіють з азотистими основами нуклеїнової кислоти. А нуклеїнова кислота, що зазнала змін, не може бути розпізнана білками-ферментами, що відповідають за її реплікацію, і подвоєння ДНК не відбувається. Вивчення ДНК-токсинів цікаво біохімікам і фармакологам не стільки в плані розробки антидотів, що пригнічують негативну дію подібних речовин на організм, а з тієї причини, що на основі бактеріальних або грибкових екзотоксинів, що впливають на ДНК, можливо отримати ліки, які змогли б боротися з клітинами злоякісних пухлин. блокуючи реплікацію їх ДНК і, отже, їх розмноження.
Слід зазначити, що клітину, ДНК якої «модифікована» токсином, не завжди можна вважати приреченою: у процесі еволюції клітини виробили кілька способів репарації — виправлення хімічних ушкоджень у молекулах ДНК, змінених у результаті будь-якого впливу. Якщо молекула ДНК знаходиться у відносно статичному стані і не бере участі в процесі реплікації, то клітина може «лагодити» її за допомогою ексцизійної репарації основ та ексцизійної репарації нуклеотидів.
Обидва типи репарації притаманні лише двоспіральним молекулам ДНК у еволюційно молодих організмів (репарація у еволюційно стародавніх бактерій-прокаріотів, молекула ДНК яких представлена лише одним ланцюжком, протікає за іншими схемами, які, зауважимо, роблять цей єдиний ланцюжок ДНК більш уразливим до зовнішніх факторів). Суть обох процесів у тому, що вони включають видалення пошкоджених азотистих основ із ДНК та подальше відновленнянормальної структури молекули за інформацією комплементарної ланцюга. А відмінність між ними в тому, що зазвичай ексцизійна репарація основ виправляє невеликі помилки ДНК, що зачіпають її точкову зміну (зміна однієї азотистої основи), а ексцизійна репарація нуклеотидів може відновити пошкоджену ділянку ДНК, відразу полагодивши кілька неправильних азотистих основ.
Проте «підступні» ДНК-токсини зв'язуються відразу з обома нитками двоспіральної ДНК, спотворюючи її просторову будову. Така зміна форми не дозволяє ферментам, що відповідають за ексцизійну репарацію, розпізнати та виправити пошкодження, а отже, вплив ДНК-токсину, що зв'язується з обома нитками ДНК, фактично не залишає «отруєної» клітини жодних шансів. Резонно, що шукати потенційні речовини з протипухлинною активністю слід саме серед сполук, що зв'язують дві нитки ДНК.
До таких ДНК-токсинів відноситься ятакеміцин, виключно токсична речовина, що активно алкілює молекулу ДНК (рис. 2), має протимікробну та протигрибкову дію (Y. Igarashi et al., 2003. Yatakemycin, a . ). Ятакеміцин – це екзотоксин дуокарміцинового ряду (див. Duocarmycin), який виробляється деякими ґрунтовими видами стрептококів. Вони використовують ятакеміцин для боротьби з бактеріями, що конкурують.
Мал. 2. Алкілювання азотистої основи ДНК ятакеміцином. Малюнок з статті, що обговорюється вNature Chemical Biology
Ятакеміцин відноситься до екзотоксинів, які вже давно вивчаються на предмет застосування в хіміотерапії раку: ще в 1980-і роки стало відомо, що ця речовина пригнічує зростання клітин пухлини, часом руйнуючи їх (David G. Martin et al.,1981. CC-1065 (NSC 298223), A Potent New Antitumor Agent Improved Production and Isolation, Characterization And Antitumor Activity). Так вже розвивається сучасна фармацевтика: у 1920–30-ті роки вивчення речовин, за допомогою яких грибки та бактерії ведуть боротьбу за існування, призвело до створення антибіотиків, а сьогодні людина знову вивчає засоби «хімічної війни» мікроорганізмів один з одним, намагаючись знайти ліки. як від інфекцій, а й тяжких недуг.
Кристалографічні та спектральні дослідження продукту взаємодії ДНК з ятакеміцином дозволили вченим із групи Брандта Айхмана (Brandt Eichman) з Університету Вандербільта визначити, що за своїм механізмом дії ятакеміцин відрізняється від інших ДНК-токсинів, що алкілюють ДНК. Цей токсин зв'язується з азотистою основою молекули ДНК лише одним ковалентним хімічним зв'язком (інші ДНК-токсини взаємодіють з ДНК, утворюючи відразу кілька таких зв'язків). Основний тип взаємодії, за допомогою якого ятакеміцин зшиває нитки ДНК, — слабкі міжмолекулярні зв'язки, що виникають між CH-зв'язками молекули ДНК і π-електронами токсину. Одна така міжмолекулярна взаємодія, звичайно, слабша за ковалентний зв'язок, але велика їх кількість призводить до дуже міцної зшивки обох ниток ДНК з ятакеміцином (згадується стара притча про прути, пов'язані у віник).
Зазвичай відділення однієї нитки ДНК від іншого потрібно дуже помірний нагрівання — десь до 40°З, проте відірвати друг від друга ланцюга ДНК, що з ятакемицином, вдавалося лише після нагрівання аддукту ДНК-токсин до 85°С. Щоб це встановити, в процесі нагрівання вчені знімали спектри аддуктів, відстежуючи стани ниток за спектрами — спарені вони чи ні.
Ще однією особливістю ятакеміцину є те, що,зв'язавшись із ДНК, він майже ідеально розміщується між двома паралельними ланцюгами двоспіральної молекули, практично не змінюючи її просторову форму (див. рис. 1). З цієї причини ферменти, що керують процесом ексцизійної репарації, не сприймають зшитий токсином ділянку ДНК як щось аномальне і, отже, навіть не намагаються виправити його.
Виникає питання — чому ятакеміцин безпечний для бактерій-стрептококів, які його виробляють? Справа в тому, що ці бактерії еволюціонували, навчившись виробляти спеціальний фермент, який захищає їх від токсину. Він є варіацією ферменту, що управляє ексцизійною репарацією основ, - ДНК-глікозилази. Цей фермент зазвичай виправляє незначні ушкодження ДНК, а не настільки великі дефекти, які викликані взаємодією ДНК з ятакеміцином, проте для стрептококів змінена ДНК-глікозилаза є надійним захистом. Глікозилаза одного з головних конкурентів стрептококів - ґрунтової бактеріїBacillus cereus- також змінилася, проте ця зміна забезпечуєB. cereusлише частковий захист від ятакеміцину.
У подальших планах дослідників – порівняння механізму роботи обох ферментів. Адже якщо вивчення механізму дії ДНК-токсинів на нуклеїнові кислоти може виявитися корисним для розробки нових протипухлинних або протигрибкових препаратів, то інформація про те, як різні живі організми захищаються від таких токсинів, зможе зробити такі лікарські препарати менш небезпечними, знизивши ймовірність появи неминучих при їх застосування побічних ефектів.
Джерело:Elwood A. Mullins, Rongxin Shi & Brandt F. Eichman. Токсичність і реагування на DNA добавки, виготовлені з натуральної продукції yatakemycin //Nature Chemical Biology. 2017. DOI:10.1038/nchembio.2439.