Увеличенный вид одной части протеасомы TB до (серый) и после (зеленый) взаимодействия с молекулой ингибитора. Молекула ингибитора вызывает конформационные изменения (обозначенные пунктирными линиями и красной стрелкой), которые препятствуют способности белковых субстратов связываться с протеасомным комплексом. В сочетании с другими изменениями, запускаемыми ингибитором, это конформационное изменение блокирует функцию протеасом весьма специфическим образом. Таким образом, такие ингибиторы могут быть эффективной стратегией борьбы с туберкулезом.
(PhysOrg.com) – Попыткам искоренить туберкулез (ТБ) препятствует тот факт, что болезнетворные бактерии имеют сложный механизм выживания в спящем состоянии в инфицированных клетках. Теперь команда ученых, в которую входят исследователи из США,.S. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE), Университет Стоуни-Брук (SBU), Медицинский колледж Вейл Корнелл и Университет Рокфеллера определили соединения, которые подавляют этот механизм, не повреждая клетки человека. Результаты, описанные в выпуске журнала Nature от 16 сентября 2009 г., включают структурные исследования того, как молекулы ингибитора взаимодействуют с бактериальными белками, и могут привести к разработке новых противотуберкулезных препаратов.
"Наши структурные исследования раскрывают подробный механизм, с помощью которого работают эти молекулы-ингибиторы, и объясняют селективность видов, которая позволяет им отключать туберкулез, в значительной степени щадя клетки человека," сказал соавтор-корреспондент Хуйлинь Ли, биофизик из Брукхейвена и доцент СБУ.
Mycobacterium tuberculosis, бактерия, вызывающая туберкулез, поражает каждого третьего человека во всем мире. У большинства инфицированных людей симптомы отсутствуют, потому что бактерия находится под контролем в клетках иммунной системы. Эти клетки производят такие соединения, как оксид азота, которые, по мнению ученых, повреждают или разрушают белки бактерий. Если дать возможность накапливаться, поврежденные белки убьют бактерии.
Но у бактерий туберкулеза есть изощренный способ удаления поврежденных белков – комплекс, расщепляющий белок, известный как протеасома, – выявленный в более ранних исследованиях этой же команды.* Расщепляя поврежденные белки, протеасома позволяет бактериям оставаться в спящем состоянии и, возможно, вызывать активный туберкулез. Поиск лекарств для отключения протеасомы станет новым способом борьбы с туберкулезом.
При разработке препаратов-ингибиторов протеасом ученые сталкиваются с несколькими препятствиями. Важным является тот факт, что клетки человека также обладают протеасомами, которые необходимы для их выживания. Чтобы лекарства были эффективными, они должны были бы специфически воздействовать на протеасомы туберкулеза, не оказывая отрицательного воздействия на комплекс очистки белков человека.
Ученые, сотрудничающие с Карлом Натаном из Медицинского колледжа Вейл Корнелл, проверили 20 000 соединений на предмет ингибирующей активности протеасомы ТБ. Они идентифицировали и синтезировали группу ингибиторов, которые затем протестировали на их способность подавлять протеасомы внутри микобактерий. Они также протестировали действие соединений на эпителиальные клетки обезьян и клетки иммунной системы человека в культуре.
Структура протеасомы TB, показанная здесь сверху, была первоначально описана в статье по молекулярной микробиологии в марте 2006 г.
Два соединения оказались эффективными против бактерий туберкулеза, не проявляя явной токсичности для клеток млекопитающих. Кроме того, соединения не проявляли антибактериальной активности против ряда других бактерий, демонстрируя, что они, по-видимому, обладают высокой степенью специфичности в отношении микробов ТБ. Кроме того, ингибирование протеасомы TB оказывается необратимым и примерно в 1000 раз более эффективным, чем незначительное ингибирование протеасом человека.
Чтобы узнать больше о механизме ингибирования и основе его видовой селективности, группа Ли определила кристаллические структуры протеасом ТБ на атомном уровне после воздействия ингибиторов. Эти исследования были выполнены в Национальном источнике синхротронного света (NSLS) – источнике интенсивных рентгеновских, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в лаборатории Брукхейвена.
Структурные исследования показали, что молекулы ингибитора блокируют способность протеасомы расщеплять белки более чем одним способом: производя прямое химическое изменение активного сайта протеасомы и изменяя конформацию белка "карман" в какие белковые фрагменты связываются до того, как они расщепятся.
"Это конформационное изменение сужает карман до такой степени, что он не может вместить белковый субстрат," сказал Ли. "Многие аминокислотные остатки протеасомы TB, участвующие в этом конформационном изменении, некоторые из которых расположены далеко от активного сайта, отличаются от таковых в протеасомах человека. Это может объяснить, почему в протеасоме человека не наблюдается такого резкого торможения, поскольку человеческий фермент может быть не в состоянии претерпеть такое же структурное изменение."
Таким образом, подробное понимание шагов, с помощью которых эти ингибиторы вызывают конформационные изменения, может помочь в разработке противотуберкулезных препаратов следующего поколения.
Источник: Брукхейвенская национальная лаборатория (новости: в сети)