Исследователи из Университета Вандербильта установили молекулярный механизм, с помощью которого ятакемицин — токсин, вырабатываемый рядом почвенных бактерий, — препятствует репликации ДНК и делению клеток. Полученные в ходе исследования результаты не только объясняют причины чрезвычайной токсичности ятакемицина, но также могут быть использованы для применения ятакемицина в разработке новых лекарственных препаратов.
Рис. 1. Модель связывания молекул ятакемицина и ДНК. Слева: карта межмолекулярных взаимодействий между CH-связями молекулы ДНК (участки спирали находятся сверху и снизу от молекулы ятакемицина) и π-электронами ятакемицина. Атомы водорода ДНК (белые), взаимодействующие с ятакемицином, выделены пунктирной линией. Справа стрелкой указано положение гликозидной связи (ковалентной химической связи), связывающей алкилированное ятакемицином азотистое основание с остатком дезоксирибозы.
В почве, воде и в других местах, как правило, разворачивается не видимая невооруженным глазом, но тем не менее ожесточенная борьба за существование: подобно животным и растениям, микроорганизмы конкурируют за одни и те же пищевые ресурсы. У микроорганизмов нет когтей и клыков, и их война друг с другом ведется бесшумно, хотя и не менее драматично. Бактерии или микроскопические грибы воюют друг с другом, используя «химическое оружие» — токсины. С помощью токсинов бактерии могут устранять конкурентов за ресурсы или отравлять другие микроорганизмы, чтобы затем использовать их трупы в качестве источника питания.
Многие из бактериальных токсинов опасны не только для микроорганизмов, но и для более крупных живых существ — растений и животных, в том числе и человека. Некоторые токсины, попадающие в организм человека, становятся ведущими факторами развития тех или иных заболеваний, а высокая их концентрация в ряде случаев может привести к состоянию, не совместимому с жизнью. Примерами таких токсинов служат ботулотоксин, подавляющий выделение ацетилхолина и вызывающий паралич мышц, энтеротоксины, нарушающие регуляцию переноса электролитов и приводящие к обезвоживанию организма, а также липополисахариды, являющиеся компонентами стенок грамотрицательных бактерий: они освобождаются и начинают оказывать свое действие только после гибели микробов (их небольшие количества активизируют у людей выработку фагоцитов, В-лимфоцитов и интерферона).
С точки зрения биохимии и молекулярной биологии бактериальные токсины разделяются на два класса: эндотоксины и экзотоксины. Эндотоксины являются структурными компонентами микроорганизма, высвобождаемыми после его гибели, и чаще всего воздействуют сразу на несколько молекулярных мишеней в составе организма (упомянутые выше липополисахариды — это как раз эндотоксины).
Экзотоксины специально вырабатываются микроорганизмом как компонент его биохимической защиты. Многие из экзотоксинов можно отнести к природным антибиотикам — органическим соединениям, синтезируемым микроорганизмами и способным в малых количествах оказывать избирательное токсическое действие на другие микроорганизмы. Экзотоксины, как правило, воздействуют на определенную биохимическую мишень. По типу атакуемых молекулярных мишеней среди экзотоксинов можно выделить мембранотоксины — токсины, повышающие проницаемость поверхностной мембраны клеток, нейротоксины, которые нарушают нормальную работу веществ, отвечающих за передачу нервных импульсов, и ДНК-токсины — вещества, взаимодействующие с ДНК и подавляющие ее способность к репликации.
Механизм действия большинства ДНК-токсинов основан на том, что эти вещества являются алкилирующими агентами, легко взаимодействующими с азотистыми основаниями нуклеиновой кислоты. А подвергшаяся изменениям нуклеиновая кислота не может быть распознана белками-ферментами, отвечающими за ее репликацию, и удвоение ДНК не происходит. Изучение ДНК-токсинов интересно биохимикам и фармакологам не столько в плане разработки антидотов, подавляющих негативное действие подобных веществ на организм, а по той причине, что на основе воздействующих на ДНК бактериальных или грибковых экзотоксинов возможно получить лекарства, которые смогли бы бороться с клетками злокачественных опухолей, блокируя репликацию их ДНК и, следовательно, их размножение.
Следует отметить, что клетку, ДНК которой «модифицирована» токсином, не всегда можно считать обреченной: в процессе эволюции клетки выработали несколько способов репарации — исправления химических повреждений в своих молекулах ДНК, измененных в результате какого-либо воздействия. Если молекула ДНК находится в относительно статичном состоянии и не участвует в процессе репликации, то клетка может «чинить» ее с помощью эксцизионной репарации оснований и эксцизионной репарации нуклеотидов.
Оба типа репарации присущи только двухспиральным молекулам ДНК у эволюционно молодых организмов (репарация у эволюционно древних бактерий-прокариотов, молекула ДНК которых представлена лишь одной цепочкой, протекает по другим схемам, которые, заметим, делают эту единственную цепочку ДНК более уязвимой к внешним факторам). Суть обоих процессов в том, что они включают удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы по информации от комплементарной цепи. А различие между ними в том, что обычно эксцизионная репарация оснований исправляет небольшие ошибки ДНК, затрагивающие ее точечное изменение (изменение одного азотистого основания), а эксцизионная репарация нуклеотидов может восстановить поврежденный участок ДНК, сразу «починив» несколько неправильных азотистых оснований.
Тем не менее самые «коварные» ДНК-токсины связываются сразу с обеими нитями двухспиральной ДНК, искажая ее пространственное строение. Такое изменение формы не позволяет ферментам, отвечающим за эксцизионную репарацию, распознать и исправить повреждение, а значит, воздействие ДНК-токсина, связывающегося с обеими нитями ДНК, фактически не оставляет «отравленной» клетке никаких шансов. Резонно, что искать потенциальные вещества с противоопухолевой активностью следует именно среди соединений, связывающих две нити ДНК.
К таким ДНК-токсинам относится ятакемицин, исключительно токсичное вещество, активно алкилирующее молекулу ДНК (рис. 2), обладающее противомикробным и противогрибковым действием. Ятакемицин — это экзотоксин дуокармицинового ряда, который вырабатывается некоторыми почвенными видами стрептококков. Они используют ятакемицин для борьбы с конкурирующими бактериями.
Рис. 2. Алкилирование азотистого основания ДНК ятакемицином.
Ятакемицин относится к экзотоксинам, которые уже давно изучаются на предмет применения в химиотерапии рака, благодаря тому что еще в 1980-е годы стало известно, что это вещество угнетает рост клеток опухоли, временами разрушая их. Так уж развивается современная фармацевтика: в 1920–30-е годы изучение веществ, с помощью которых грибки и бактерии ведут борьбу за существование, привело к созданию антибиотиков, а сегодня человек снова изучает средства «химической войны» микроорганизмов друг с другом, стараясь найти лекарства не только от инфекций, но и более тяжелых недугов.
Кристаллографические и спектральные исследования продукта взаимодействия ДНК с ятакемицином позволили ученым из группы Брандта Айхмана из Университета Вандербильта определить, что по своему механизму действия ятакемицин отличается от других ДНК-токсинов, алкилирующих ДНК. Этот токсин связывается с азотистым основанием молекулы ДНК всего лишь одной ковалентной химической связью (другие ДНК-токсины взаимодействуют с ДНК, образуя сразу несколько таких связей). Основной же тип взаимодействия, с помощью которого ятакемицин сшивает нити ДНК — слабые межмолекулярные связи, возникающие между CH-связями молекулы ДНК и π-электронами токсина. Одно такое межмолекулярное взаимодействие, конечно слабее ковалентной связи, но большое их количество приводит к очень прочной сшивке обеих нитей ДНК с ятакемицином (вспоминается старая притча про прутья, связанные в веник).
Обычно для отделения одной нити ДНК от другой требуется весьма умеренный нагрев — где-то до 40°С, однако оторвать друг от друга цепи ДНК, связавшиеся с ятакемицином, удавалось, лишь после нагрева аддукта ДНК-токсин до 85°С. Чтобы это установить, в процессе нагрева ученые снимали спектры аддуктов, отслеживая по спектрам состояние нитей — спарены они или нет.
Еще одной особенностью ятакемицина является то, что, связавшись с ДНК, он почти что идеально размещается между двумя параллельными цепями двуспиральной молекулы, практически не меняя ее пространственную форму (см. рис. 1). По этой причине ферменты, управляющие процессом эксцизионной репарации, не воспринимают сшитый токсином участок ДНК как что-то аномальное и, следовательно, даже и не пытаются исправить его.
Возникает вопрос — почему ятакемицин безопасен для вырабатывающих его бактерий-стрептококков? Дело в том, что вырабатывающие бактерии эволюционировали, выработав особый фермент, который защищает их от токсина. Он представляет собой вариацию фермента, управляющего эксцизионной репарацией оснований, — ДНК-гликозилазы. Этот фермент обычно исправляет незначительные повреждения ДНК, а не столь большие дефекты, которые вызваны взаимодействием ДНК с ятакемицином, однако для стрептококков измененная ДНК-гликозилаза является надежной защитой. Гликозилаза одного из главных конкурентов стрептококков — почвенной бактерии Bacillus cereus также изменилась, однако это изменение обеспечивает B. cereus лишь частичную защиту от ятакемицина.
В дальнейших планах исследователей сравнение механизма работы обоих ферментов. Ведь если изучение механизма действия ДНК-токсинов на нуклеиновые кислоты может оказаться полезным для разработки новых противоопухолевых или противогрибковых препаратов, то информация о том, как различные живые организмы защищаются от таких токсинов, сможет сделать такие лекарственные препараты менее опасными, снизив вероятность появления неизбежных при их применении побочных эффектов.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
