Структурный и функциональный анализ белка Ecm16, придающего устойчивость к эхиномицину, из Streptomyces lasalocidi

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7980 (2023) Цитировать эту статью

422 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Эхиномицин — природный бисинтеркаляторный антибиотик ДНК. Кластер генов биосинтеза эхиномицина у Streptomyces lasalocidi включает ген, кодирующий белок саморезистентности Ecm16. Здесь мы представляем кристаллическую структуру Ecm16, связанного с аденозиндифосфатом, с разрешением 2,0 Å. Структура Ecm16 очень похожа на структуру UvrA, компонента датчика повреждения ДНК прокариотической системы эксцизионной репарации нуклеотидов, но в Ecm16 отсутствует UvrB-связывающий домен и связанный с ним цинк-связывающий модуль, обнаруженный в UvrA. Исследование мутагенеза показало, что инсерционный домен Ecm16 необходим для связывания ДНК. Более того, специфическая аминокислотная последовательность инсерционного домена позволяет Ecm16 отличать ДНК, связанную с эхиномицином, от нормальной ДНК и связывать связывание субстрата с активностью гидролиза АТФ. Экспрессия ecm16 у гетерологичного хозяина Brevibacillus choshinensis обеспечивала устойчивость к эхиномицину и другим хиномициновым антибиотикам, включая тиокоралин, хинальдопептин и сандрамицин. Наше исследование дает новое представление о том, как производители ДНК-бисинтеркаляторных антибиотиков защищаются от токсичных соединений, которые они производят.

Хиномициновые антибиотики действуют путем нековалентного связывания с двойной спиралью ДНК1. Они представляют собой бисинтеркаляторы ДНК, соединения, которые обратимо связываются с дуплексом ДНК путем вставки пары ароматических кольцевых групп между соседними парами оснований ДНК. К этому семейству соединений был проявлен большой интерес из-за их мощной противомикробной и противоопухолевой активности, кульминацией которого стал большой объем биохимических, структурных и клинических знаний2. Однако подробности механизма устойчивости бактерий к бисинтеркалаторам ДНК остаются ограниченными. Хотя у патогенных бактерий до сих пор не обнаружено элементов устойчивости к этим соединениям, разумно идентифицировать и выяснить механизмы устойчивости, которые присутствуют в естественной среде. Знание основных механизмов резистентности позволит исследователям разработать новые терапевтические стратегии до того, как резистентность к хиномицину станет клинической проблемой.

Продуценты антибиотиков хиномицина обычно содержат один или несколько генов саморезистентности, которые обнаруживаются либо в кластере генов биосинтеза антибиотиков, либо в другом месте генома. Например, бактерия, продуцирующая триостин, содержит ген, который кодирует транспортер ABC3, а продуцент тиокоралина содержит гены, которые кодируют транспортер ABC, а также белок секвестрации тиокоралина4,5. Интересно, что продуценты хиномицина также содержат ген UvrA. -подобный белок в кластере их биосинтетических генов (табл. 1). UvrA представляет собой фермент репарации ДНК универсального пути эксцизионной репарации прокариотических нуклеотидов (NER). Короче говоря, UvrA распознает повреждение ДНК и привлекает UvrB к месту повреждения. UvrB рекрутирует UvrC, который расщепляет фосфодиэфирную связь на восемь нуклеотидов выше и до пяти нуклеотидов ниже модифицированного нуклеотида. Затем UvrC привлекает хеликазу UvrD, которая замещает расщепленный фрагмент ДНК. ДНК-полимераза I синтезирует недостающий участок ДНК, используя неповрежденную комплементарную цепь в качестве матрицы, а ДНК-лигаза запечатывает разрывы, тем самым завершая восстановление6.

Эхиномицин представляет собой прототипный бисинтеркалятор ДНК, продуцируемый множеством актиномицетов, включая Streptomyces echinatus и Streptomyces lasalocidi (ранее известный как S. lasaliensis)7,8,9. Это циклический депсипептид, содержащий две хиноксалиновые группы и необычный тиоацетальний мостик (рис. 3)10. Эхиномицин проявляет сильную противомикробную активность в отношении метициллин-резистентных золотистых стафилококков и ванкомицин-резистентных энтерококков11,12, но в клинической практике он не используется из-за проблем с растворимостью и токсичностью. Кластер генов биосинтеза эхиномицина из S. lasalocidi содержит гены, кодирующие ферменты, синтезирующие группу хиноксалина, ферменты, строящие пептидный остов, и гены, кодирующие белки с неизвестной функцией13. Одним из функционально неохарактеризованных белков является Ecm16, который, как предполагалось, обеспечивает самозащиту от эхиномицина на основании идентичности последовательности (~ 30%), которую он разделяет с прокариотическими белками UvrA, которые функционируют в пути NER13.