Бафиломициндер: Қасиеттері, әсер ету механизмі және зерттеудегі қолданысы
Bafilomycin
Бафиломициндер – Streptomycetes бактерияларынан алынатын макролид антибиотиктер. Ісікке қарсы, иммуносупрессорлық және аутофагияны тежеу қасиеттері бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бафиломициндер – әртүрлі стрептомицеттерден шығарылатын макролид антибиотиктерінің тобы. Олардың химиялық құрылымы 16 мүшелі лактон сақинасымен анықталады. Бафиломициндер кең спектрлі биологиялық белсенділікке ие, соның ішінде ісікке қарсы, паразиттерге қарсы, иммуносупрессивтік және саңырауқұлаққа қарсы әсер етеді. Ең көп қолданылатын бафиломицин – бафиломицин А1, ол жасушалық аутофагияның қуатты тежегіші. Бафиломициндер иондарды тасымалдаушы (ионофор) ретінде әрекет етеді, биологиялық мембраналар арқылы калий K+ иондарын тасымалдап, митохондрия зақымдануына және жасуша өліміне алып келеді. Бафиломицин А1 вакуольдік типтегі H+ АТФаза (V АТФаза) ферментін – жануарлар жасушаларының лизосомасы немесе өсімдіктер мен саңырауқұлақтардың вакуоласы сияқты жасуша ішіндегі органеллаларды немесе жасуша сырты ортаны қышқылдандыратын мембраналық протонды сорғыны нақты нысаналайды. Жоғары микромолярлық концентрацияда бафиломицин А1 фосфориленген өтпелі күйдегі P типті АТФазаларға да әсер етеді. Бафиломицин А1 көптеген in vitro зерттеулерде маңызды құрал ретінде қолданылады, бірақ оның клиникалық қолданылуы айқын уыттылық қасиеттерімен шектеледі.
The bafilomycins are a family of macrolide antibiotics produced from a variety of Streptomycetes. Their chemical structure is defined by a 16 membered lactone ring scaffold. Bafilomycins exhibit a wide range of biological activity, including anti tumor, anti parasitic, immunosuppressant and anti fungal activity. The most used bafilomycin is bafilomycin A1, a potent inhibitor of cellular autophagy. Bafilomycins have also been found to act as ionophores, transporting potassium K+ across biological membranes and leading to mitochondrial damage and cell death. Bafilomycin A1 specifically targets the vacuolar type H+ ATPase (V ATPase) enzyme, a membrane spanning proton pump that acidifies either the extracellular environment or intracellular organelles such as the lysosome of animal cells or the vacuole of plants and fungi. At higher micromolar concentrations, bafilomycin A1 also acts on P type ATPases, which have a phosphorylated transitional state. Bafilomycin A1 serves as an important tool compound in many in vitro research applications; however, its clinical use is limited by a substantial toxicity profile.
Ашу және тарихы
Бафиломицин А1, В1 және С1 алғаш рет 1983 жылы Streptomyces griseus-тан бөліп алынды. Бафиломицин А1 конканавалин А стимуляцияланған Т-жасушаларына антипролиферативтік әсер ететіні де көрсетілді. Дегенмен, оның жоғары уыттылығы клиникалық сынақтарда қолдануға кедергі келтірді. 2004 жылдан 2011 жылға дейін bafilomycins F-тен K-ға дейін басқа Streptomyces sp. түрлерінен бөліп алынды. Құрылымдық тұрғыдан алғанда, V АТФаза ферментінің мембрана арқылы өтетін Vo және цитозольдік V1 домендерін құрайтын 13 түрлі субъединицадан тұрады.
Bafilomycin A1, B1 and C1 were first isolated from Streptomyces griseus in 1983. Bafilomycin A1 was also shown to have an anti proliferative effect on concanavalin A stimulated T cells. However, its high toxicity has prevented use in clinical trials. From 2004 to 2011, bafilomycins F K were isolated from other Streptomyces sp. Structurally, V ATPase consists of 13 distinct subunits that together make up the membrane spanning Vo and cytosolic V1 domains of the enzyme.
V- АТФазаның әрекет ету механизмі
Протонды мембрана арқылы жылжыту үшін, протон алдымен цитоплазмалық жартылай канал арқылы Vo доменіндегі a суббірлігіне кіреді. Бұл Vo c және c" суббірліктерінің протеолипид сақинасындағы сақталған глутамин қышқылының қалдықтарының протондалуына мүмкіндік береді. Аденозин трифосфаты (АТФ) содан кейін ферменттің V1 доменімен гидролизденеді, бұл D, F және d суббірліктерінен тұратын сорғының орталық сабағының және протеолипид сақинаның айналуын қамтамасыз етеді. Бұл айналу протондалған глутамин қышқылының қалдықтарын а суббірлігінде орналасқан люминальды жартылай каналмен байланыстырады. А суббірлігіндегі аргинин қалдықтары глутамин қышқылының депротонды түрін тұрақтандыруға және олардың протондарын босатуға көмектеседі. Бұл айналу және протонның берілуі протонды сорғы арқылы мембрана арқылы өткізеді. Бұл байланыс орны жақында екі топ тарапынан жоғары ажыратымдылықпен сипатталды, олар криоэлектрондық микроскопияны қолданып, бафиломицинге байланысқан V АТФазаның құрылымдарын алды. Жалпы алғанда, бафиломицин V АТФаза кешенінің Vo c суббірлігіне наномолярлық тиімділікпен байланып, протон транслокациясын тежейді.
In order to move protons across the membrane, a proton first enters subunit a within the Vo domain through a cytoplasmic hemichannel. This allows conserved glutamic acid residues within the proteolipid ring of Vo subunits c and c" to become protonated. Adenosine triphosphate (ATP) is then hydrolyzed by the V1 domain of the enzyme, enabling both the rotation of the central stalk of the pump, made up of subunits D, F and d, and the rotation of the proteolipid ring. This rotation puts the protonated glutamic acid residues in contact with a luminal hemichannel located in subunit a. Within subunit a, arginine residues serve to stabilize the deprotonated form of glutamic acid and allow the release of their protons. This rotation and proton transfer brings the protons through the pump and across the membrane. This binding site has recently been described in high resolution by two groups that used cryo electron microscopy to obtain structures of the V ATPase bound to bafilomycin. Overall, bafilomycin binds with nanomolar efficiency to the Vo c subunit of the V ATPase complex and inhibits proton translocation.
V-АТФ-фазаның орналасуы және қызметі
V АТФаза сүтқоректілердің жасушаларында кең таралған және көптеген жасушалық процестерде маңызды рөл атқарады. Ол транс-Гольги желісіне және одан туындаған жасушалық органеллаларға, соның ішінде лизосомаларға, секреторлық бұршақшаларға және эндосомаларға орналасады. V АТФаза плазмалық мембранада да табылады. Сүтқоректілерде V АТФазаның орналасуы кешендегі а суббірлігінің нақты изоформасымен байланысты болуы мүмкін. А1 және а2 изоформалары V АТФазаны ұяшық ішінде, тиісінше синаптылық везикулаларға және эндосомаларға бағыттайды. Ал a3 және a4 суббірліктері V АТФазаның остеокластарда (a3) және бүйрек интеркаляцияланған жасушаларында (a4) плазмалық мембранаға локализациясын қамтамасыз етеді. Егер ол лизосомалық мембранада орналасса, лизосоманың қышқылдануына себеп болады, себебі люмендік pH төмендейді, бұл лизосомалық гидролазалардың активтілігін қамтамасыз етеді. V АТФаза плазмалық мембранада орналасқанда, сорғы арқылы протон шығарылуы клетка сырты кеңістіктің қышқылдануына алып келеді, осыны остеокластар, эпидидимальды таза жасушалар және бүйрек эпителийлік интеркаляцияланған жасушалар сияқты мамандандырылған жасушалар пайдаланады. Автофагия – жасушаның өз органеллаларын және кейбір белоктарды автофагосомалардың қалыптасуы арқылы ыдырататын процесі. Автофагосомалар лизосомалармен бірігіп, лизосомалық протеазалар арқылы жұтылған жүктің ыдырауын жеңілдетеді. Бұл процесс жасушаның аминқышқылдары мен басқа да қоректік заттар қорын сақтауда маңызды рөл атқарады, әсіресе қоректік заттар жетіспегенде немесе басқа метаболикалық стресс жағдайларында. Бафиломицин V АТФазамен өзара әрекеттесу арқылы лизосоманың қышқылдануын тежеу арқылы осы процеске кедергі келтіреді. Лизосомалық қышқылданудың жетіспеуі катепсиндер сияқты лизосомалық протеазалардың активтілігін тежейді, сондықтан жұтылған жүкті ыдырату мүмкін болмайды. Нейрондарда Бафиломицинмен емдеген кезде автофагосома маркері LC3 II деңгейінің жоғарылауы байқалды. Бұл автофагосомалардың лизосомалармен бірігуіне кедергі келтіруімен байланысты, бұл әдетте LC3 II-нің ыдырауын стимуляциялайды.
V ATPase is ubiquitous in mammalian cells and plays an important role in many cellular processes. It is localized to the trans golgi network and the cellular organelles that are derived from it, including lysosomes, secretory vesicles and endosomes. V ATPase can also be found within the plasma membrane. In mammals, location of the V ATPase can be linked to the specific isoform of subunit a that the complex has. Isoforms a1 and a2 target V ATPase intracellularly, to synaptic vesicles and endosomes respectively. Subunits a3 and a4, however, mediate V ATPase localization to the plasma membrane in osteoclasts (a3) and renal intercalated cells (a4). If located at the lysosomal membrane, this results in the acidification of the lysosome as lumenal pH is lowered, enabling activity of lysosomal hydrolases. When V ATPase is located at the plasma membrane, proton extrusion through the pump causes the acidification of the extracellular space, which is utilized by specialized cells such as osteoclasts, epididymal clear cells, and renal epithelial intercalated cells. Autophagy is the process by which the cell degrades its own organelles and some proteins through the formation of autophagosomes. Autophagosomes then fuse with lysosomes facilitating the degradation of engulfed cargo by lysosomal proteases. This process is critical in maintaining the cell's store of amino acids and other nutrients during times of nutrient deprivation or other metabolic stresses. Bafilomycin interferes with this process by inhibiting the acidification of the lysosome through its interaction with V ATPase. Lack of lysosomal acidification prevents the activity of lysosomal proteases like cathepsins so that engulfed cargo can no longer be degraded. In neurons, an increase in the autophagosome marker LC3 II has been seen with Bafilomycin treatment. This occurs as autophagosomes fail to fuse with lysosomes, which normally stimulates the degradation of LC3 II.
Апоптозды индукциялау
PC12 жасушаларында бафиломицин апоптозды, яғни бағдарламаланған жасуша өлімін, сондай-ақ басқа да қатерлі жасуша желілерінде де тудыратыны анықталды. Бафиломицин C. neoformans-та кальцинеурин ингибиторы FK506-пен бірге қолданылып, күшейтілген қантүршікке қарсы әрекет көрсетеді.
In PC12 cells, bafilomycin was found to induce apoptosis, or programmed cell death. as well as other cancer cell lines. Bafilomycin has also been used in C. neoformans in conjunction with calcineurin inhibitor FK506, displaying synergistic anti fungal activity.
Нейродегенеративті аурулар көбінесе жасуша ішінде нейрондардың дисфункциясына және соңында нейронның өліміне себеп болатын ақуыз агрегаттарының жоғары деңгейін көрсетеді. Автофагия – жасуша ішіндегі ақуызды ыдырату механизмі ретінде, осы ақуыз агрегаттарын лизосомаға жеткізіп, ыдыратуға көмектеседі. Нейрондық гомеостаз бен ауру күйлерінде үздіксіз автофагияның, немесе автофагиялық ағыстың нақты қызметі әлі толық анықталмағанмен, нейродегенеративті ауруларда автофагиялық дисфункция байқалатыны мәлім. Егер бұл препараттардың біреуін бафиломицин А1-мен бірге жасушаларға қолданса, бафиломицин А1 лизосоманың қышқылдануын тежейді, соның салдарынан осы бөлімшеде иондардың тұтқындалуына жол бермейді.
Neurodegenerative diseases typically display elevated levels of protein aggregates within the cell that contribute to dysfunction of neurons and eventual neuronal death. As a method of protein degradation within the cell, autophagy can traffic these protein aggregates to be degraded in the lysosome. Although it is unclear the exact role continuous autophagy, or autophagic flux, plays in neuronal homeostasis and disease states, it has been shown that autophagic dysfunction can be seen in neurodegenerative diseases. When one of these drugs is co applied to cells with bafilomycin A1, the action of bafilomycin A1 prevents the acidification of the lysosome, therefore preventing the phenomenon of ion trapping in this compartment.