Бафиломицины: структура, механизм действия и ингибирование V-АТФазы.
Bafilomycin
Бафиломицины: антибиотики макролидной группы, ингибиторы аутофагии. Обладают противоопухолевым, иммуносупрессивным и противогрибковым действием. Исследования, свойства.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Бафиломицины – это семейство макролидных антибиотиков, продуцируемых различными видами стрептомицетов. Их химическая структура характеризуется 16-членным лактонным кольцом. Бафиломицины проявляют широкий спектр биологической активности, включая противоопухолевую, противопаразитарную, иммуносупрессивную и противогрибковую активность. Наиболее часто используемым бафиломицином является бафиломицин А1 – мощный ингибитор клеточной аутофагии. Также было установлено, что бафиломицины действуют как ионофоры, транспортируя ионы калия K+ через биологические мембраны, что приводит к повреждению митохондрий и гибели клеток. Бафиломицин А1 специфически воздействует на вакуолярную H+ АТФазу (V-АТФазу) – мембранный протонный насос, который обеспечивает закисление как внеклеточной среды, так и внутриклеточных органелл, таких как лизосомы животных клеток или вакуоли растений и грибов. При более высоких микромолярных концентрациях бафиломицин А1 также воздействует на P-типы АТФаз, характеризующиеся фосфорилированным переходным состоянием. Бафиломицин А1 является важным исследовательским инструментом во многих in vitro исследованиях, однако его клиническое применение ограничено значительным профилем токсичности.
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.
Открытие и история
Бафиломицин А1, В1 и С1 впервые были выделены из Streptomyces griseus в 1983 году. Также было показано, что бафиломицин А1 оказывает антипролиферативное действие на Т-клетки, стимулированные конканавалином А. Однако его высокая токсичность помешала использованию в клинических исследованиях. С 2004 по 2011 год бафиломицины F и K были выделены из других видов Streptomyces. Структурно V-АТФаза состоит из 13 различных субъединиц, которые вместе формируют проходящие через мембрану Vo и цитозольные V1 домены фермента.
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.
Механизм действия V-АТФазы
Для перемещения протонов через мембрану, протон сначала входит в подединицу a внутри домена Vo через цитоплазматический гемиканал. Это позволяет консервированным остаткам глутаминовой кислоты в протеолипидном кольце подединиц c и c" домена Vo протонироваться. Затем аденозинтрифосфат (АТФ) гидролизуется доменом V1 фермента, что обеспечивает вращение центрального стебля насоса, состоящего из подединиц D, F и d, а также вращение протеолипидного кольца. Это вращение приводит к тому, что протонированные остатки глутаминовой кислоты оказываются в контакте с луминальным гемиканалом, расположенным в подединице a. Внутри подединицы a остатки аргинина стабилизируют депротонированную форму глутаминовой кислоты и способствуют высвобождению протонов. Это вращение и перенос протонов обеспечивают прохождение протонов через насос и через мембрану. Недавно данное связывающее место было описано с высоким разрешением двумя группами, которые использовали криоэлектронную микроскопию для получения структур V-АТФазы, связанной с бафиломицином. В целом, бафиломицин связывается с подединицей Vo c комплекса V-АТФазы с наномолярной эффективностью и ингибирует транслокацию протонов.
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.
Локализация и функция V-АТФазы
V-АТФаза широко распространена в клетках млекопитающих и играет важную роль во многих клеточных процессах. Она локализована в сети транс-Гольджи и клеточных органеллах, происходящих от нее, включая лизосомы, секреторные везикулы и эндосомы. V-АТФаза также может быть обнаружена в плазменной мембране. У млекопитающих локализация V-АТФазы может быть связана со специфической изоформой субъединицы a, входящей в состав комплекса. Изоформы a1 и a2 направляют V-АТФазу внутриклеточно, соответственно, в синаптические везикулы и эндосомы. Однако субъединицы a3 и a4 опосредуют локализацию V-АТФазы в плазменной мембране в остеокластах (a3) и почечных интеркалированных клетках (a4). При локализации на лизосомной мембране это приводит к закислению лизосомы, поскольку снижается pH просвета, что активирует лизосомные гидролазы. Когда V-АТФаза локализована в плазменной мембране, выведение протонов насосом вызывает закисление внеклеточного пространства, которое используется специализированными клетками, такими как остеокласты, эпидидимальные прозрачные клетки и почечные интеркалированные клетки. Автофагия – это процесс, посредством которого клетка разрушает собственные органеллы и некоторые белки путем образования аутофагосом. Аутофагосомы затем сливаются с лизосомами, облегчая деградацию захваченного содержимого лизосомными протеазами. Этот процесс критически важен для поддержания запасов аминокислот и других питательных веществ в клетке во время дефицита питательных веществ или других метаболических стрессов. Бафиломицин вмешивается в этот процесс, ингибируя закисление лизосомы посредством взаимодействия с V-АТФазой. Отсутствие закисления лизосомы препятствует активности лизосомных протеаз, таких как катепсины, в результате чего захваченное содержимое больше не может быть разрушено. В нейронах при обработке бафиломицином наблюдается увеличение маркера аутофагосомы LC3 II. Это происходит, поскольку аутофагосомы не сливаются с лизосомами, что обычно стимулирует деградацию LC3 II.
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.
Индукция апоптоза
В клетках PC12 было обнаружено, что бафиломицин индуцирует апоптоз, или запрограммированную гибель клеток, а также в других раковых клеточных линиях. Бафиломицин также использовался в отношении C. neoformans в сочетании с ингибитором кальцинеурина FK506, демонстрируя синергетическую противогрибковую активность.
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.
Клиренс белковых агрегатов при нейродегенеративных заболеваниях
Нейродегенеративные заболевания обычно характеризуются повышенным уровнем белковых агрегатов внутри клеток, которые способствуют нарушению функции нейронов и их последующей гибели. Аутофагия, как механизм деградации белков внутри клетки, может направлять эти белковые агрегаты в лизосому для расщепления. Хотя точная роль непрерывной аутофагии, или аутофагического потока, в поддержании нейронного гомеостаза и при заболеваниях остается неясной, установлено, что нарушение аутофагии наблюдается при нейродегенеративных заболеваниях. При совместном применении одного из этих препаратов с бафиломицином А1, действие бафиломицина А1 предотвращает закисление лизосомы, тем самым препятствуя феномену ионной ловушки в этом компартменте.
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.