Под действием бактерицидных антибиотиков бактерии убивают себя сами

Общий механизм действия бактерицидных антибиотиков

Рис. 1. Общий механизм действия бактерицидных антибиотиков. Действие трех разных видов бактерицидных антибиотиков — аминогликозидов, β‑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 β‑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, β‑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.

Полимераза DinB (Pol) способна включать окисленные гуаниновые нуклеотиды (GO) в состав ДНК

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


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • Rattus  | 12.05.2012 | 04:51 Ответить
    По поводу аминогликозидов в литературе довольно размытая картина получается: в одних местах написано о блокировании трансляции, а в других про нарушение (внесение помех).
    До сих пор считал, что цидное действие их как раз связано с нарушением синтеза белка, когда ресурс аминокислот и энергии быстро уходит на синтез нефункциональных белков.
    В отличие от, например, хлорамфеникола, который синтез именно блокирует и все просто на время останавливается: ничего не синтезируется - не растет и не обновляется, но и практически не тратится - и в таком режиме "принудительной гибернации" клетка может сохраняться существенно дольше.
    Ответить
    • Microcin > Rattus | 12.05.2012 | 13:21 Ответить
      Rattus, да, скорее всего дело именно в способности аминогликозидов вызывать сбои в трансляции, что ведет к включению неправильных аминокислот в состав белка и синтезу нефункциональных белков. Вы можете прочитать про все это подробнее в указанных статьях.
      Ответить
  • chaplin  | 14.05.2012 | 11:32 Ответить
    А как происходит в случае отсутствия дыхательной цепи? У многих облигатных анаэробов её нет.
    Ответить
  • -claim-  | 15.05.2012 | 21:53 Ответить
    Почему авторы не выступили с предложением запретить совместный прием аскорбата и антибиотиков?
    Ответить
    • Microcin > -claim- | 16.05.2012 | 00:29 Ответить
      отлично))
      Ответить
  • UNV  | 20.07.2012 | 12:03 Ответить
    Биологическое оружие, невосприимчивое к антибиотикам, всё ближе.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»