Коллаборация украинских и канадских химиков опубликовала две работы в Bioorganic & Medicinal Chemistry, в которых предлагаются принципиально новые потенциальные лекарства от туберкулеза, направленные на селективную деактивацию фермента лейцил-тРНК-синтетазы (ЛРСазы) туберкулезной палочки Mycobacterium tuberculosis.
Рис. 1. Сравнение последовательности аминокислот в человеческой и туберкулезной ЛРСазе. Красной рамкой обведены аминокислоты активного центра. Синее заполнение указывает на полное совпадение, голубое — частичное совпадение (близкие по структуре аминокислоты), красное — несовпадение.
Несмотря на успехи современной медицины, туберкулез остается одним из смертоносных заболеваний. Например, только в 2014 году в мире от туберкулеза умерли полтора миллиона человек, главным образом в развивающихся странах. Но и в развитых странах проблему еще рано считать решенной, особенно в связи с появлением бактерий, устойчивых к известным антибиотикам. И это значит, что гонку вооружений с микробами останавливать нельзя ни в коем случае.
Чтобы находить новые лекарства от бактериальных заболеваний, следует сначала найти подходящую мишень — например, какой-либо необходимый для жизни белок-фермент, который будет сильно различаться в патогенных бактериях и в человеке и который можно химически заблокировать, не дать выполнять биохимическую функцию. Тогда можно надеяться, что с большой вероятностью молекула, блокирующая бактериальный белок, не будет блокировать человеческий аналог.
В середине 2000-х годов был предложен новый класс мишеней для блокировки — аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы). Иначе говоря, было обнаружено, что некоторые бактериальные (прокариотные) АРСазы зачастую довольно сильно отличаются от эукариотных, и, в частности, человеческих, аналогов.
АРСаза — фермент-синтетаза, катализирующий образование связки аминокислоты с тРНК перед встраиванием последней в синтезируемый белок. АРСазы обеспечивают правильность происходящего в дальнейшем считывания генетической информации с мРНК при синтезе белков на рибосомах. Для каждой аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза.
К туберкулезу искатели антибиотиков-ингибиторов АРСазы до сих пор не подобрались во многом потому, что не были получены кристаллические трехмерные структуры этих ферментов, то есть было не совсем понятно, по каким признакам определять потенциальные лекарства. Однако первичная структура (последовательность аминокислот в белке) у некоторых туберкулезных АРСаз, в частности у лейцил-тРНК-синтетазы (ЛРСаза) была известна, также было известно, какие именно аминокислоты находятся в активном центре. Ученые из Института молекулярной биологии и генетики УАН (Киев, Украина) и Otava Ltd. (Вон, Онтарио, Канада) решили использовать имеющуюся информацию довольно оригинальным образом.
Трехмерная структура и точное строение активного центра были известны у другой бактериальной ЛРСазы, принадлежащей грамотрицательной бактерии Thermus thermophilus. Аминокислотные последовательности ЛРСаз Mycobacterium tuberculosis и T. thermophilus имеют всего лишь 37-процентное сходство, однако непосредственно в активном центре их сходство — 95%, в то время как с аминокислотными последовательностями активного центра человеческой ЛРСазы сходство минимально (рис. 1).
Таким образом, используя структуру ЛРСазы T. thermophilus как шаблон, исследователи построили модель ЛРСазы M. tuberculosis. Теперь в бой вступила хемоинформатика. Ученые взяли базу из 100 000 разнообразных маленьких молекул и протестировали их виртуально на предмет взаимодействия с активным центром модели несколькими алгоритмами, часть которых разработали они сами. Это дало возможность сократить список кандидатов в ингибиторы до 270. Эти 270 кандидатов были протестированы экспериментально на их способность блокировать ЛРСазу M. tuberculosis. Тесты обнаружили, что сильными ингибирующими свойствами (IC50 < 50 мкмоль) обладают 6 молекул, которые принадлежат к двум различным структурным классам (рис. 2).
Рис. 2. Представители двух обнаруженных классов молекул, ингибирующих ЛРСазу M. tuberculosis. Молекула 1: {[4-(4-Bromo-phenyl)-thiazol-2-yl]hydrazonomethyl}-2-methoxy-6-nitro-phenol. Молекула 2: 5-(2-Hydroxy-5-methylphenylamino)-6-methyl-2H-[1,2,4]triazin-3-one.
IC50 (концентрация полумаксимального ингибирования) — показатель эффективности ингибитора, количественный индикатор, который показывает, какова должна быть концентрация ингибитора, чтобы замедлить биологический процесс в условиях максимальной скорости на 50%.
Рис. 3. Компьютерная модель активного центра ЛРСазы M. tuberculosis, связанного с молекулой 1. Водородные связи показаны зеленым точечным пунктиром. Также молекулы создают гидрофобные и другие взаимодействия (на рисунке не показаны).
На рис. 3 и 4 показаны компьютерные модели молекул 1 и 2, встроенных в активный центр ЛРСазы M. tuberculosis. С помощью этих моделей можно изучить механизм ингибирования — понять, как именно структурные детали молекул взаимодействуют с аминокислотами патогенного фермента. В число таких взаимодействий входят водородные связи, гидрофобные и другие слабые (но в совокупности достаточно сильные) взаимодействия.
Рис. 4. Компьютерная модель активного центра ЛРСазы M. tuberculosis, связанного с молекулой 2.
На основе полученных знаний о структуре молекул можно эту структуру оптимизировать так, чтобы молекулы еще крепче связывались с активным центром туберкулезной ЛРСазы. Используя эти данные, были синтезированы 26 аналогов молекулы 1 и 62 аналога молекулы 2. Среди аналогов молекулы 1 были найдены 6 высокоактивных молекул с IC50 < 20 мкмоль, из них самый низкий IC50 (6 мкмоль) — у самой молекулы 1. Среди аналогов молекулы 2 были найдены две высокоактивные молекулы (у обеих IC50 в районе 7,5 мкмоль).
Все активные молекулы были протестированы на предмет ингибирования человеческой ЛРСазы — и во всех случаях их активность к патогенному белку была как минимум в 10 раз выше. В случае наиболее активной молекулы 1 было продемонстрированно, что она способна проникать через мембрану бактерий M. tuberculosis и предотвращать их рост при IC50 = 10,01 мкмоль и IC90 = 13,53 мкмоль.
Авторы пришли к заключению, что найденные молекулы являются хорошими кандидатами на роль антитуберкулезных антибиотиков. Конечно, отсюда до лекарств путь еще очень далек, как по времени, так и по деньгам.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
