» » Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами


Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

Рис. 1. Общий механизм действия бактерицидных антибиотиков. Действие трех разных видов бактерицидных антибиотиков — аминогликозидов, ?-лактамов и фторхинолонов на соответствующие мишени в клетке приводит к повышенному уровню окисления NADH в дыхательной цепи. При гиперактивации дыхательной цепи образуются активные формы кислорода, например, супероксид, повреждающие железосодержащие белки. Высвобождение иона железа приводит к каталитическому образованию гидроксил-радикалов, повреждающих все основные структуры клетки — липиды, ДНК и белки. Изображение из обзора Kohanski et al. в Nat Rev Microbiol


Стал известен общий механизм, лежащий в основе бактерицидного действия большинства применяемых в настоящее время антибиотиков. Стимулируемое антибиотиками образование свободных радикалов приводит к накоплению критического количества поврежденных гуаниновых оснований в составе ДНК и РНК; попытка клетки исправить причиненный урон приводит к гибели.

Вот уже больше 50 лет человечество применяет антибиотики, благодаря чему практически избавлено от былой опасности бактериальных инфекций. Антибактериальные препараты делятся на два класса: бактерицидные, которые активно убивают бактерий с почти 100% эффективностью, и бактериостатические, которые просто останавливают рост культур.

К бактерицидным антибиотикам относятся ?-лактамы (пенициллин, амоксициллин и др.), блокирующие синтез пептидогликана — основного компонента бактериальной клеточной стенки; фторхинолоны (ципрофлоксацин), блокирующие бактериальную топоизомеразу II в процессе работы и тем самым вызывающие невосстановимые двухцепочечные разрывы в ДНК; аминогликозиды (канамицин), связывающиеся с 30S субъединицей бактериальной рибосомы и ингибирующие трансляцию.

Большинство других ингибиторов трансляции (хлорамфеникол, спектиномицин, тетрациклин и др.) оказывает бактериостатическое действие.

Большинство антибиотиков делают одно их трех: либо нарушают трансляцию белка, либо ингибируют процессы синтеза и поддержания структуры клеточной стенки, либо нарушают репликацию и репарацию ДНК. Благодаря отличиям физиологических процессов и структуры конкретных белков у прокариот и у эукариот антибиотики являются сравнительно нетоксичными для человека. Взаимодействия антибиотиков и их мишеней в деталях изучены, и положение молекулы лекарства в активном центре фермента известно вплоть до отдельного атома. Казалось бы, что осталось непонятного? Тем не менее, за годы изучения и применения антибиотиков накопилось множество разных фактов, свидетельствующих о том, что мы примитивно представляем себе процесс гибели клетки. Например, оказалось, что бактерицидное действие фторхинолонов требует активного синтеза АТФ и наличия синтеза белка. Мутации в системе SOS-ответа (ответа на повреждения ДНК) повышают бактериальную чувствительность к фторхинолонам, и, что уж совсем странно, к пенициллинам. Наконец, оставалось непонятным, почему одни ингибиторы трансляции (аминогликозиды) приводят к быстрой смерти бактерий, в то время как другие (хлорамфеникол, спектиномицин) просто останавливают рост клеток.

В 2007 году ученые из Бостона под руководством Джеймса Коллинза (James Collins) поставили перед собой амбициозную задачу выяснить, как, собственно, ингибирование клеточных ферментов приводит к гибели клеток. Для этого изучалось изменение транскрипции всех генов Escherichia coli в ответ на действие антибиотиков. Неожиданно для всех оказалось, что действие всех трех классов бактерицидных антибиотиков (фторхинолоны, аминогликозиды, ?-лактамы) приводит к активации одних и тех же групп генов: ответственных за метаболизм железа, борьбу с окислительным стрессом и репарацию ДНК. Исследователи предположили, что повреждение железо-серных кластеров в составе ферментов дыхательной цепи и высвобождение свободных ионов железа провоцирует радикальную реакцию с участием пероксида водорода, в ходе которой лавинообразно увеличивается количество гидроксил-радикалов OH·, повреждающих ДНК, белки и мембраны клетки.

Железо-серные кластеры — это комплексы связанных дисульфидными связями атомов железа, которые содержатся в активных центрах многих ферментов, осуществляющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, например, аконитазы, NADH-дегидрогеназы, нитроредуктазы.

В Фентоновской реакции, описывающей взаимодействие ионов железа и пероксида водорода, суммарная степень окисления железа не меняется, таким образом, оно является катализатором образования свободных радикалов:

Fe2+ + H2O2 -> Fe3+ + ·OH + OH–

Fe3+ + H2O2 -> Fe2+ + ·OOH + H+

Перекись водорода, участвующая в реакции, постоянно образуется в клетке в процессе аэробного дыхания.

Действительно, применение веществ — захватчиков радикалов, таких как тиомочевина, позволило значительно снизить гибель клеток под действием антибиотиков; аналогичные результаты были достигнуты, когда с помощью мутаций была нарушена способность клеток синтезировать потенциально опасные железо-серные кластеры. Дальнейшие исследования показали, что дестабилизация железо-серных белков в свою очередь вызывается супероксид-анионом O2–, который выделяется в ходе гиперактивации дыхательной цепи. По-видимому, попытки клетки компенсировать первичное действие антибиотиков приводят к резко увеличенной выработке АТФ, что и вызывает окислительно-восстановительный дисбаланс, оказывающийся в конечном счете для нее смертельным (более подробная схема изображена на рис. 1).

В этом апреле в журнале Science вышла статья биологов из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Грэма Уокера (Graham Walker), продолжающая и дополняющая работы Коллинза, что подтвердилось участием последнего в публикации.

Группа Уокера занимается изучением ДНК-полимеразы E. coli DinB (про более раннюю их работу уже выходила статья на «Элементах», см. Объяснен механизм копирования сбойных блоков в ДНК, «Элементы», 19.01.2006). DinB — это полимераза транслезионного синтеза (см. translesion synthesis), способная работать на поврежденных ДНК-матрицах (например, содержащих окисленные нуклеотиды, или тиминовые димеры (см. thymine dimer), являющиеся непреодолимым препятствием для основной ДНК-полимеразы E. coli — ДНК-полимеразы III). dinB является жизненно важным для клетки геном, позволяющим переживать стресс. Тем не менее, искусственное увеличение числа копий DinB («сверхэкспрессия») является смертельным для бактерии. Уокер и его коллеги решили проверить, не является ли гибель клетки и в этом случае зависящей от гидроксил-радикалов. Для этого они проводили сверхэкспрессию DinB либо в присутствии «захватчика» свободных радикалов, тиомочевины, либо в присутствии хелатора ионов железа 2,2’-дипиридила, либо в анаэробных условиях. Оказалось, что любое из этих ухищрений способно полностью предотвратить гибель клеток.

Одной из важных потенциальных мишеней активных форм кислорода является азотистое основание гуанин. Окисленный гуаниновый нуклеотид, 8-оксо-дезоксигуанидин (8-oxo-dG), является источником мутаций: он способен образовывать комплементарные пары как с С (цитозином), так и с А (аденином) (неповрежденный нуклеотид G в нормальных условиях образует пары только с С). В свою очередь, полимераза DinB, обладая пониженной точностью копирования, способна использовать окисленный 8-оксо-дезоксигуанидинтрифосфат (8-oxo-dGTP) в качестве субстрата, вставляя его напротив А или напротив С. Может быть, при сверхэкспрессии DinB включает чересчур много 8-oxo-dG в состав ДНК, и клетка погибает от слишком большого числа мутаций? Ученые создали искусственную форму DinB, в которой замена одной аминокислоты значительно снижает возможность использования 8-oxo-dGTP в качестве субстрата. Как и предполагалось, сверхэкспрессия такой полимеразы безопасна для клеток.

Тем не менее, непосредственное мутагенное действие не может объяснить наблюдаемой скорости гибели клеток: DinB синтезирует ДНК очень медленно, и шанс, что достаточное количество клеток получит летальную мутацию за время эксперимента, продолжающегося несколько часов, очень невелик. Скорее всего, причина не в самих мутациях, а в попытках клетки их исправить: виновата система эксцизионной репарации (см. base excision repair), ответственная за распознавание и удаление поврежденных оснований. Если два окисленных гуаниновых нуклеотида расположены рядом друг с другом, действие ферментов-гликозилаз MutM и MutY может привести к образованию двухцепочечного разрыва ДНК (рис. 2). Действительно, оказалось, что удаление этих двух генов помогает клеткам выживать при сверхэкспрессии DinB. Другим способом почти полностью защитить клетки от гибели было одновременно с DinB сверхэкспрессировать фермент MutT, способный узнавать поврежденный 8-oxo-dGTP еще до того, как он встроится в ДНК, и гидролизовать его.


Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

Рис. 2. Полимераза DinB (Pol) способна включать окисленные гуаниновые нуклеотиды (GO) в состав ДНК. Если они встроятся на небольшом расстоянии друг от друга, последующее действие ферментов репарации MutM и MutY приведет к образованию потенциально летального двухцепочечного разрыва ДНК. Ситуация на картинке справа возникает, когда DinB включает 8-oxo-dG напротив уже существующего повреждения на другой цепи. Изображение из сопроводительных материалов (PDF, 877 КБ) к обсуждаемой статье Foti et al., в Science


Какая же связь между этими открытиями и бактерицидным действием антибиотиков? Оказывается, токсичное действие ·OH-радикалов, образующихся при действии антибиотиков, в основном связано именно с окислением гуанина. Так, сверхэкспрессия MutT способна на несколько порядков увеличить выживаемость клеток, подвергшихся действию фторхинолона, норфлоксацина, пенициллина или канамицина. К схожим результатам приводит «выбивание» генов двух полимераз, способных включать в состав ДНК 8-oxo-dG (DinB и UmuDC) или генов гликозилаз MutM и MutY, репарирующих поврежденное основание. Таким образом, долгий путь к установлению истинных причин гибели клеток под действием антибиотиков почти пройден; практическое применение полученных знаний позволит, как надеются ученые, значительно усилить потенциал существующих антибиотиков и преодолеть возникающую у микроорганизмов резистентность.

Источник: James J. Foti, Babho Devadoss, Jonathan A. Winkler, James J. Collins, Graham C. Walker. Oxidation of the guanine nucleotide pool underlies cell death by bactericidal antibiotics // Science. 2012. V. 336. Pp. 315–319.

См. также:
1) Daniel D. Dwyer, Michael A. Kohanski, Boris Hayete, James J. Collins. Gyrase inhibitors induce an oxidative damage cellular death pathway in Escherichia coli // Mol Syst Biol. 2007 V. 3. P. 91.
2) Michael A. Kohanski, Daniel J. Dwyer, Boris Hayete, Carolyn A. Lawrence, James J. Collins. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics // Cell. 2007. V. 130. Pp. 797–810.
3) Michael A. Kohanski, Daniel D. Dwyer, James J. Collins. How antibiotics kill bacteria: from targets to networks // Nat Rev Microbiol. 2010. V. 8. Pp. 423–435.

Дмитрий Гиляров


08 декабрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

В митохондриальной ДНК волосатиков много длинных палиндромов в белок-кодирующих генах

Российские биологи прочитали митохондриальные геномы четырех видов волосатиков и обнаружили в них необычайно длинные и при этом точные инвертированные повторы в белок-кодирующих генах. Это

Регуляторные элементы вирусного происхождения помогают работе нашего иммунитета

Известно, что регуляторные элементы вирусов, встроившиеся в геном предков человека миллионы лет назад, могут работать нам на благо. Такие примеры есть в совершенно разных системах организма: это

Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка

Группа ученых из Великобритании и Китая методом крио-электронной микроскопии расшифровала структуру комплекса I (NADH-дегидрогеназный комплекс) электрон-транспортной цепи митохондрий быка Bos taurus.

Ванкомицин

Это электронная микрофотография почвенной бактерии Amycolatopsis orientalis с острова Борнео, из которой в 1953 году выделили антибиотик ванкомицин, который способен справиться с микробами,

Клетки голых землекопов стареют не так, как клетки мышей

Голых землекопов часто называют «животными, которые не стареют». Авторы недавнего исследования обнаружили, что отдельные клетки этих животных вполне способны состариться. Но даже в условиях стресса

Почему мы стареем?

Седые волосы, потеря памяти, морщины и хрупкие кости — рано или поздно каждый из нас станет старым.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереНа МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой