Новобиоцин: свойства, механизм действия и применение.
Novobiocin
Новиоцин (альбамицин): антибиотик аминокумаринового ряда, активен против Staphylococcus epidermidis. Используется для дифференциации стафилококков в культуре.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химическое соединение
Chemical compound
Новобиоцин, также известный как альбамицин, — аминокумариновый антибиотик, производимый актиномицетом Streptomyces niveus, который недавно был идентифицирован как субъективный синоним S. spheroides, относящегося к классу Actinomycetia. Другие аминокумариновые антибиотики включают хлоробиоцин и кумермицин А1. Новобиоцин впервые был описан в середине 1950-х годов (тогда он назывался стрептонивицином).
Novobiocin, also known as albamycin, is an aminocoumarin antibiotic that is produced by the actinomycete Streptomyces niveus, which has recently been identified as a subjective synonym for S. spheroides a member of the class Actinomycetia. Other aminocoumarin antibiotics include clorobiocin and coumermycin A1. Novobiocin was first reported in the mid 1950s (then called streptonivicin).
Клиническое применение
Он активен против Staphylococcus epidermidis и может использоваться для его дифференциации от других коагулазонегативных Staphylococcus saprophyticus, устойчивых к новобиоцину, при культивировании. Новобиоцин был лицензирован для клинического применения под торговым названием Альбамицин (Upjohn) в 1960-х годах. Его эффективность была продемонстрирована в доклинических и клинических исследованиях. Впоследствии пероральная форма препарата была отозвана с рынка из-за недостаточной эффективности. Комбинированный препарат, содержащий новобиоцин и тетрациклин, продававшийся Upjohn под торговыми марками, такими как Panalba и Albamycin T, подвергался особо тщательному контролю со стороны FDA, прежде чем был окончательно изъят из продажи. Новобиоцин является эффективным антистафилококковым средством, применяемым для лечения MRSA.
It is active against Staphylococcus epidermidis and may be used to differentiate it from the other coagulase negative Staphylococcus saprophyticus, which is resistant to novobiocin, in culture. Novobiocin was licensed for clinical use under the tradename Albamycin (Upjohn) in the 1960s. Its efficacy has been demonstrated in
preclinical and clinical trials. The oral form of the drug has since been withdrawn from the market due to lack of efficacy. A combination product of novobiocin and tetracycline, sold by Upjohn under brand names such as Panalba and Albamycin T, was in particular the subject of intense FDA scrutiny before it was finally taken off the market. Novobiocin is an effective antistaphylococcal agent used in the treatment of MRSA.
Механизм действия
Молекулярные механизмы действия новобиоцина, а также других родственных препаратов – хлоробиоцина и кумермицина А1 – были исследованы. Аминокумарины являются высокоэффективными ингибиторами бактериальной ДНК-гиразы и действуют, воздействуя на субъединицу GyrB фермента, участвующего в энергетическом обмене. Новобиоцин, как и другие аминокумариновые антибиотики, выступает в роли конкурентного ингибитора АТФазной реакции, катализируемой GyrB. Активность новобиоцина значительно выше, чем у фторхинолонов, которые также нацелены на ДНК-гиразу, но в другом участке фермента. Субъединица GyrA участвует в разрезании и лигировании ДНК. Показано, что новобиоцин слабо ингибирует C-концевой домен эукариотического белка Hsp90 (высокий микромолярный IC50). Модификация структуры новобиоцина привела к созданию более селективных ингибиторов Hsp90. Также было показано, что новобиоцин связывается и активирует грам-отрицательный липополисахаридный транспортер LptBFGC. Новобиоцин блокирует АТФ-связывающий карман полимеразы тета, что приводит к потере АТФазной активности. Это, в свою очередь, приводит к нарушению микрогомологичного соединения концов ДНК как механизма обхода повреждающих ДНК агентов клетками с дефицитом гомологической рекомбинации. Действие новобиоцина проявляет синергизм с ингибиторами PARP в отношении уменьшения размера опухоли в модели на мышах.
The molecular basis of action of novobiocin, and other related drugs clorobiocin and coumermycin A1 has been examined. Aminocoumarins are very potent inhibitors of bacterial DNA gyrase and work by targeting the GyrB subunit of the enzyme involved in energy transduction. Novobiocin as well as the other aminocoumarin antibiotics act as competitive inhibitors of the ATPase reaction catalysed by GyrB. The potency of novobiocin is considerably higher than that of the fluoroquinolones that also target DNA gyrase, but at a different site on the enzyme. The GyrA subunit is involved in the DNA nicking and ligation activity. Novobiocin has been shown to weakly inhibit the C terminus of the eukaryotic Hsp90 protein (high micromolar IC50). Modification of the novobiocin scaffold has led to more selective Hsp90 inhibitors. Novobiocin has also been shown to bind and activate the Gram negative lipopolysaccharide transporter LptBFGC. The ATP binding pocket of polymerase theta is blocked by novobiocin resulting in a loss of ATPase activity. This results in the loss of microhomology mediated end joining as a pathway for homologous recombination deficient cells to circumvent DNA damaging agents. The action of novobiocin is syngeristic with PARP inhibitors for reducing tumor size in a mouse model.
Структура
Новобиоцин является аминокумарином. Новобиоцин можно разложить на три составляющие: производное бензойной кислоты, кумариновый остаток и сахар новобиозу. Перекрытие участков связывания кумарина и АТФ согласуется с тем, что аминокумарины выступают конкурентными ингибиторами АТФ-азной активности.
Novobiocin is an aminocoumarin. Novobiocin may be divided up into three entities; a benzoic acid derivative, a coumarin residue, and the sugar novobiose. The overlap of the coumarin and ATP binding sites is consistent with aminocoumarins being competitive inhibitors of the ATPase activity.
Структура взаимодействие деятельности
В экспериментах по изучению взаимосвязи структуры и активности было обнаружено, что удаление карбамоильной группы, расположенной на сахаре новобиозы, приводит к резкому снижению ингибирующей активности новобиоцина. Были идентифицированы 23 предполагаемых открытых рамки считывания (ОРФ) и более 11 других ОРФ, которые могут играть роль в биосинтезе новобиоцина. Биосинтез кольца А (см. рис. 1) начинается с префената, который является производным биосинтетического пути шикимовой кислоты. Фермент NovF катализирует декарбоксилирование префената, одновременно восстанавливая никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADP+) до NADPH. Затем NovQ катализирует электрофильное замещение фенильного кольца диметилаллилпирофосфатом (DMAPP), также известным как пренилирование. DMAPP может поступать как по пути мевалоновой кислоты, так и по пути биосинтеза дезоксирибулозы. Далее молекула 3-диметилаллил-4-гидроксибензоата подвергается двум окислительным декарбоксилированиям под действием NovR и молекулярного кислорода. NovR является негемовой железооксигеназой с уникальным бифункциональным катализом. На первом этапе оба атома кислорода включаются из молекулярного кислорода, а на втором этапе – только один, что было установлено в ходе исследований с использованием изотопной метки. Это завершает формирование кольца А. Биосинтез кольца B (см. рис. 2) начинается с природной аминокислоты L-тирозина. Затем она аденилируется и тиоэстерифицируется на пептидил-переносчик (PCP) NovH с помощью АТФ и самого NovH. NovI далее модифицирует эту молекулу, связанную с PCP, окисляя β-положение с использованием NADPH и молекулярного кислорода. NovJ и NovK образуют гетеродимер J2K2, который является активной формой этой бензильной оксигеназы. В этом процессе NADP+ используется в качестве акцептора гидрида при окислении β-спирта. Этот кетон в растворе склонен существовать в своей енольной таутомерной форме. Далее белок, который пока не идентифицирован, катализирует селективное окисление бензольного кольца (как показано на рис. 2). После окисления этот промежуточный продукт спонтанно лактонизируется с образованием ароматического кольца B и потерей NovH в процессе. Биосинтез L-новиозы (кольцо C) показан на рис. 3. Этот процесс начинается с глюкозо-1-фосфата, где NovV принимает dTTP и заменяет фосфатную группу на dTDP-группу. Затем NovT окисляет 4-гидроксильную группу с использованием NAD+. NovT также осуществляет дегидроксилирование сахара в 6-м положении. Затем NovW эпимеризирует 3-е положение сахара. Метилирование 5-го положения осуществляется с помощью NovU и S-аденозилметионина (SAM). Наконец, NovS снова восстанавливает 4-е положение, чтобы достичь эпимеризации этого положения относительно исходной глюкозо-1-фосфата с использованием NADH. Кольца A, B и C соединяются и модифицируются, образуя готовую молекулу новобиоцина. Кольца A и B соединяются ферментом NovL с использованием АТФ для дифосфорилирования карбоксилатной группы кольца A, чтобы карбонильная группа могла быть атакована аминогруппой на кольце B. Полученное соединение метилируется NovO и SAM перед гликозилированием. NovM присоединяет кольцо C (L-новиозу) к гидроксильной группе, происходящей из тирозина, с потерей dTDP. Дополнительное метилирование осуществляется NovP и SAM в 4-м положении сахара L-новиозы. Это метилирование позволяет NovN карбамилировать 3-е положение сахара, как показано на рис. 4, завершая биосинтез новобиоцина.
In structure activity relationship experiments it was found that removal of the carbamoyl group located on the novobiose sugar lead to a dramatic decrease in inhibitory activity of novobiocin. They identified 23 putative open reading frames (ORFs) and more than 11 other ORFs that may play a role in novobiocin biosynthesis. The biosynthesis of ring A (see Fig. 1) begins with prephenate which is a derived from the shikimic acid biosynthetic pathway. The enzyme NovF catalyzes the decarboxylation of prephenate while simultaneously reducing nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) to produce NADPH. Following this NovQ catalyzes the electrophilic substitution of the phenyl ring with dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) otherwise known as prenylation. DMAPP can come from either the mevalonic acid pathway or the deoxyxylulose biosynthetic pathway. Next the 3 dimethylallyl 4 hydroxybenzoate molecule is subjected to two oxidative decarboxylations by NovR and molecular oxygen. NovR is a non heme iron oxygenase with a unique bifunctional catalysis. In the first stage both oxygens are incorporated from the molecular oxygen while in the second step only one is incorporated as determined by isotope labeling studies. This completes the formation of ring A. The biosynthesis of ring B (see Fig. 2) begins with the natural amino acid L tyrosine. This is then adenylated and thioesterified onto the peptidyl carrier protein (PCP) of NovH by ATP and NovH itself. NovI then further modifies this PCP bound molecule by oxidizing the β position using NADPH and molecular oxygen. NovJ and NovK form a heterodimer of J2K2 which is the active form of this benzylic oxygenase. This process uses NADP+ as a hydride acceptor in the oxidation of the β alcohol. This ketone will prefer to exist in its enol tautomer in solution. Next a still unidentified protein catalyzes the selective oxidation of the benzene (as shown in Fig. 2). Upon oxidation this intermediate will spontaneously lactonize to form the aromatic ring B and lose NovH in the process. The biosynthesis of L noviose (ring C) is shown in Fig. 3. This process starts from glucose 1 phosphate where NovV takes dTTP and replaces the phosphate group with a dTDP group. NovT then oxidizes the 4 hydroxy group using NAD+. NovT also accomplishes a dehydroxylation of the 6 position of the sugar. NovW then epimerizes the 3 position of the sugar. The methylation of the 5 position is accomplished by NovU and S adenosyl methionine (SAM). Finally NovS reduces the 4 position again to achieve epimerization of that position from the starting glucose 1 phosphate using NADH. Rings A, B, and C are coupled together and modified to give the finished novobiocin molecule. Rings A and B are coupled together by the enzyme NovL using ATP to diphosphorylate the carboxylate group of ring A so that the carbonyl can be attacked by the amine group on ring B. The resulting compound is methylated by NovO and SAM prior to glycosylation. NovM adds ring C (L noviose) to the hydroxyl group derived from tyrosine with the loss of dTDP. Another methylation is accomplished by NovP and SAM at the 4 position of the L noviose sugar. This methylation allows NovN to carbamylate the 3 position of the sugar as shown in Fig. 4 completing the biosynthesis of novobiocin.