Подавление связывания аутоиндукторов с рецепторными белками
Подавление связывания аутоиндукторов с соответствующими рецепторными белками.
Подавление функционирования QS-систем регуляции может быть достигнуто при помощи антагонистов аутоиндукторов, которые мешают связыванию аутоиндуктора с молекулами рецепторных белков. Показано, что такие ингибиторы могут конкурировать с AHL - в этом случае они структурно близки сигнальной молекуле аутоиндуктора и взаимодействуют с участком связывания AHL с рецепторным белком, но не активируют этот белок. Неконкурентные ингибиторы могут иметь слабое сходство с AHL, или вообще не быть сходными с ним. Эти соединения связываются с различными участками рецепторного белка. Подобные ингибиторы активно изучаются, поиск конкурентных ингибиторов проводится с использованием компьютерного дизайна [ Hentzer and Givskov 2003 ].
Получены данные о подавлении QS-регуляции аналогами AHL, несущими модификации в различных частях молекулы - в ацильных цепях и гомосеринлактонном кольце. Длина ацильной цепи имеет существенное значение для активности AHL. Аналоги AHL с более длинными, чем у нативных AHL, ацильными цепями могли быть ингибиторами активности QS систем [ Hentzer and Givskov 2003 ; McClean et al 1997 ]. Замена 3-оксо- групп на 3-гидроксильные или метильные, введение ненасыщенных связей в ацильные цепи приводит к значительному снижению активности AHL [ Suga and Smith, 2003 ; Hentzer and Givskov 2003 ].
Модификации в гомосеринлактонном кольце молекул AHL существенно влияют на их активность. Природные AHL являются L-изомерами. D-изомеры, в основном, биологической активностью не обладают [ Hentzer and Givskov 2003 ]. Ацильная цепь, по-видимому, необходима для биологической активности AHL. Замена гомосеринлактонного кольца на гомоцистеинлактонное уменьшало активность аутоиндуктора на порядок, а замена на гомосеринлактамное кольцо приводило к отсутствию активирующих или антагонистических свойств. Однако, молекулы, в которых гомосеринлактон заменен на гомосеринтиолактон, могут сохранять активность при функционировании некоторых QS-систем [ Suga and Smith, 2003 ; Hentzer and Givskov 2003 ; Passador et al. 1996 ; Schaefer et al. 1996 ].
Изучении действия аналогов AHL Las-системы P. aeruginosa с заменами в гомосеринлактонном кольце показало, что эти замены по-разному влияют на взаимодействие аналогов с белками RhlR и LasR . Этот факт может свидетельствовать о том, что два рецепторных белка P. aeruginosa различаются в участках связывания с AHL [ Smith et al. 2003 ].
Все больше внимания уделяется природным антагонистам аутоиндукторов QS, производным фуранонов , в том числе галогенизированным. Обнаружено, что австралийская красная водоросль Delisea pulchra синтезирует различные галогенизированные фураноны, препятствующие колонизации этой водоросли морскими бактериями, у которых QS-система участвует в регуляции метаболических процессов, и, таким образом, защищает растения от действия бактерий. Фураноны D. pulchra содержат фурановое кольцо с замещенной в положении C-3 ацильной цепью и атомами брома в положении C-4. Замещения в положении C-5 могут варьировать [ Hentzer and Givskov 2003 ; Givskov et al. 1996 ; Manefield et al. 1999 ]. Фураноны из природных источников галогенизированы в различных положениях атомами брома, йода или хлора ( рис. 6 ) [ Suga and Smith, 2003 ; Hentzer and Givskov 2003 ].
После обнаружения эффекта фуранонов, образуемых D. pulchra, в различных лабораториях провели широкий скрининг природных соединений и химически синтезировали производные фуранонов, ингибиторов QS, в том числе производные фуранонов с ацильными цепями различной длины. Оказалось, что даже производные фуранонов без ацильной цепи с двумя атомами брома ингибировало QS-систему P. aeruginosa [ Hentzer et al 2002 ]. Обнаружено, что производные фуранонов продуцируются различными организмами: морскими зелеными, красными и бурыми водорослями, грибами, асцидиями, актиномицетами и др. [ Hentzer and Givskov 2003 ; Martinelli et al. 2004 ].
Изучение механизма действия этих веществ на QS системы показало, что соединения фураноновой природы конкурируют с AHL за участок связывания с рецепторными белками LuxR типа. Связывание фуранонов с рецептором - рецептором влияет на стабильность комплекса белок-лиганд, приводя к быстрому расщеплению рецепторного белка [ Manefield et al. 1999 ; Manefield et al. 2002 ].
Действие фуранонов приводило к подавлению различных клеточных процессов, регулируемых QS: биолюминесценции Vibrio fischeri ; продукции факторов вирулентности у P. aeruginosa , Erwinia carotovora ; образования биопленок [ Hentzer and Givskov 2003 ; Hentzer et al 2002 ; Manefield et al. 2001 ; Hentzer et al. 2003 ]. Многие химически синтезированные фураноны были значительно эффективнее, чем природные [ Hentzer and Givskov 2003 ]. Большой интерес представляет тот факт, что синтетические фураноны были активны против бактерий в составе биопленок в тех же концентрациях, что и против QS-регуляции планктонно размножающихся бактерий. Для подаления инфекций, вызванных P. aeruginosa, растущих в биопленках, требуются существенно более высокие дозы антибиотиков [ Hentzer and Givskov 2003 ].
Использование биологических микрочипов позволило установить, что соединения фураноновой природы влияют на экспрессию 93 генов P. aeruginosa PAO1; функционирование 80% этих генов, например, генов эластазы, протеазы LasA, участвующих в синтезе рамнолипидов, феназинов, цианида, хитиназы регулировалось с участием QS-систем [ Hentzer et al. 2003 ].
Показано, что (5Z)-4-бромо-5-(бромометилен)-3-бутил-2(5H)-фуранон, продуцируемое водорослью D. pulchra производное фуранона, ингибирует QS в клетках E. coli с участием AI-2 ; это соединение подавляло также формирование биопленки и вызывало репрессию 56 генов E. coli, 79% которых индуцировалось AI-2. Под действием указанного соединения внеклеточная концентрация AI-2 уменьшалась вдвое. Предполагается, что этот эффект осуществлялся на посттранскрипционном уровне [ Ren et al. 2004 ].
Приведенные данные показывают, что производные фуранонов перспективны для получения на их основе терапевтических агентов, направленных против патогенности бактерий. Однако, испытанные к настоящему времени соединения, способные подавлять QS-регуляцию, токсичны для человека [ Hentzer et al. 2003 ]. Актуальную задачу представляет их модификация и поиски новых, нетоксичных веществ, пригодных для клинического применения.
Бактерии и эукариотические организмы продуцируют вещества иной природы, подавляющие QS-регуляцию у бактерий - циклические дипептиды (дикетопиперазины), соединения, способные активировать QS-систему. Предполагают, что они также взаимодействуют с участками связывания AHL с рецепторными белками [ Holden et al. 1999 ].
