Efflux (mikrobiologie) - Efflux (microbiology)

Protein TolC, vnější membránová složka trojstranné efluxní pumpy Escherichia coli.
AcrB, další součást čerpadla, Escherichia coli.

Všechny mikroorganismy, až na několik výjimek, mají ve svém genomu vysoce konzervované sekvence DNA, které jsou přepsány a přeloženy do efluxních pump. Efluxní pumpy jsou schopné přemisťovat různé toxické sloučeniny buňky, jako antibiotika, těžké kovy, organické znečišťující látky, rostlinné sloučeniny, signály snímající kvora, bakteriální metabolity a neurotransmitery přes aktivní výtok, což je zásadní součást xenobiotický metabolismus. Tento aktivní efluxní mechanismus je zodpovědný za různé typy rezistence na bakteriální patogeny v bakteriálních druzích - nejvíce se jedná o rezistenci na antibiotika, protože mikroorganismy mohou přizpůsobit efluxní pumpy k odvádění toxinů z cytoplazmy a do extracelulárního média.[1]

Efluxní systémy fungují prostřednictvím energeticky závislého mechanismu (aktivní transport ) k odčerpání nežádoucích toxických látek pomocí specifických výtokových čerpadel. Některé efluxní systémy jsou specifické pro léčiva, zatímco jiné mohou pojmout více léčiv s malými transportéry pro více léků (SMR).[2][3]

Efflux čerpadla jsou bílkovinné transportéry lokalizované v cytoplazmatická membrána všech druhů buněk. Oni jsou aktivní transportéry, což znamená, že k výkonu své funkce potřebují zdroj chemické energie. Někteří jsou primární aktivní transportéry s využitím adenosintrifosfát hydrolýza jako zdroj energie, zatímco jiné ano sekundární aktivní transportéry (uniporters, sympatizanti nebo antiportery ), ve kterém je doprava spojena s rozdíl elektrochemického potenciálu vytvořeno čerpáním vodík nebo sodík ionty do cely.

Bakteriální

Transportéry bakteriálních efluxů jsou rozděleny do pěti hlavních superrodin, na základě jejich aminokyselina sekvence a zdroj energie použitý k vývozu jejich substrátů:

  1. The hlavní pomocná rodina (MFS)[4]
  2. The Kazeta vázající ATP nadčeleď (ABC)[4]
  3. Malá skupina více léčivých přípravků (SMR)[4]
  4. The nadrodina odpor-nodulace-buněčné dělení (RND)[4]
  5. The multi antimikrobiální vytlačovací protein rodina (MATE).[4]

Z nich je primárními transportéry pouze nadrodina ABC, zbytek je sekundární transportéry s využitím proton nebo sodík spád jako zdroj energie. Zatímco MFS dominuje v Grampozitivní bakterie, rodina RND byla kdysi považována za jedinečnou pro gramnegativní bakterie. Od té doby byly nalezeny ve všech hlavních království.[5]

Struktura

Effluxní pumpy obecně sestávají z proteinu vnější membrány, středního periplazmatického proteinu, proteinu vnitřní membrány a transmembránového kanálu. Transmembránový kanál je umístěn ve vnější membráně buňky. Potrubí je také vázáno na dva další proteiny: protein periplazmatické membrány a integrální membránový transportér. Periplazmatický membránový protein a protein vnitřní membrány systému jsou spojeny pro ovládání otevírání a zavírání kanálu (kanálu). Když se toxin váže na tento protein vnitřní membrány, proteiny vnitřní membrány vedou k biochemické kaskádě, která přenáší signály do periplazmatického membránového proteinu a proteinu vnější membrány, aby otevřel kanál a přesunul toxin z buňky. Tento mechanismus využívá energeticky závislou interakci protein-protein, která je generována přenosem toxinu pro iont H + transportérem vnitřní membrány.[6]

Funkce

Přestože antibiotika jsou klinicky nejdůležitějšími substráty efluxních systémů, je pravděpodobné, že většina efluxních pump má jiné přirozené fyziologické funkce. Mezi příklady patří:

  • The E-coli AcrAB efluxní systém, který má fyziologickou úlohu odčerpávat žlučové kyseliny a mastné kyseliny, aby snížil jejich toxicitu.[7]
  • Čerpadlo řady Ptr řady MFS Streptomyces pristinaespiralis se zdá být autoimunita pumpa pro tento organismus, když zapne produkci pristinamycinů I a II.[8]
  • Systém AcrAB – TolC v E-coli je podezření, že hraje roli v transportu složek vápníkového kanálu v E-coli membrána.[9]
  • Systém MtrCDE hraje ochrannou roli tím, že poskytuje rezistenci vůči fekálním lipidům v rektálních izolátech Neisseria gonorrhoeae.[10]
  • Odtokový systém AcrAB z Erwinia amylovora je pro tento organismus důležitý virulence kolonizace rostlin (hostitelů) a odolnost vůči rostlinným toxinům.[11]
  • Složka MexXY víceúčelového efluxního systému MexXY-OprM společnosti P. aeruginosa je indukovatelný antibiotiky, které cílí na ribozomy prostřednictvím produktu genu PA5471.[12]

Schopnost efluxních systémů rozpoznávat velké množství jiných látek než jejich přirozených substrátů je pravděpodobně proto, že rozpoznávání substrátů je založeno na fyzikálně-chemické vlastnosti, jako např hydrofobicita, aromatičnost a ionizovatelný spíše než na definovaných chemických vlastnostech, jako v klasickém enzym -Podklad nebo ligand -receptor uznání. Protože většina antibiotik je amfifilní molekuly - které mají hydrofilní i hydrofobní charakter - jsou snadno rozpoznatelné mnoha efluxními pumpami.[Citace je zapotřebí ]

Dopad na antimikrobiální rezistenci

Dopad efluxních mechanismů na antimikrobiální rezistence je velký; obvykle se to připisuje následujícímu:

  • The genetický mohou být kódovány prvky kódující efluxní pumpy chromozomy a / nebo plazmidy, což přispívá jak k vnitřní (přirozené), tak k získané rezistenci. Jako vnitřní mechanismus rezistence mohou geny efluxní pumpy přežít nepřátelské prostředí (například v přítomnosti antibiotik), které umožňuje výběr mutanti to přes-vyjádřit tyto geny. Nachází se na přenosných genetických prvcích jako plazmidy nebo transpozice je také výhodný pro mikroorganismy, protože umožňuje snadné šíření efluxních genů mezi vzdálenými druhy.[13]
  • Antibiotika mohou působit jako induktory a regulátory výraz některých efluxních čerpadel.[12]
  • Exprese několika efluxních pump v daném bakteriálním druhu může vést k širokému spektru rezistence při zvažování sdílených substrátů některých efluxních pump s více léčivy, kde jedna efluxní pumpa může propůjčit rezistenci vůči širokému spektru antimikrobiálních látek.[14]

Eukaryotický

V eukaryotických buňkách je existence efluxních pump známá od objevu P-glykoprotein v roce 1976 Juliano a Ling.[15] Efluxní pumpy jsou jednou z hlavních příčin rezistence proti rakovině v eukaryotických buňkách. Zahrnují monokarboxylátové transportéry (MCT), rezistence na více léků proteiny (MDR) - označované také jako P-glykoprotein, proteiny spojené s multirezistencí (MRP), transportéry peptidů (PEPT) a transportéry Na + fosfátů (NPT). Tyto transportéry jsou distribuovány po určitých částech renálního proximálního tubulu, střeva, jater, hematoencefalické bariéry a dalších částech mozku.

Inhibitory

V současné době probíhá několik studií zaměřených na vývoj léků, které lze současně podávat s antibiotiky, aby působily jako inhibitory vytlačování antibiotik pomocí efluxu. Dosud nebyl pro terapeutické použití schválen žádný efluxní inhibitor, ale některé se používají ke stanovení prevalence efluxních pump u klinických izolátů a u buněčná biologie výzkum. Verapamil například slouží k blokování P-glykoprotein zprostředkovaný odtok vazby DNA fluorofory, čímž usnadňuje třídění fluorescenčních buněk podle obsahu DNA. Rozličný přírodní produkty Bylo prokázáno, že inhibují bakteriální efluxní pumpy včetně karotenoidů kapsanthin a kapsorubin,[16] flavonoidy rotenon a chrysin,[16] a alkaloid lysergol.[17] Nějaký nanočástice, například oxid zinečnatý, také inhibují bakteriální efluxní pumpy.[18]

Viz také

Reference

  1. ^ Blanco P, Hernando-Amado S, Reales-Calderon JA, Corona F, Lira F, Alcalde-Rico M a kol. (Únor 2016). „Bakteriální víceúčelová efluxní čerpadla: mnohem více než determinanty rezistence na antibiotika“. Mikroorganismy. 4 (1): 14. doi:10,3390 / mikroorganismy4010014. PMC  5029519. PMID  27681908.
  2. ^ Bay DC, Turner RJ (2016). Malá víceúčelová odtoková čerpadla odolná vůči více lékům. Švýcarsko: Springer International Publishing. p. 45. ISBN  978-3-319-39658-3.
  3. ^ Sun J, Deng Z, Yan A (říjen 2014). „Bakteriální efluxní pumpy na více léčiv: mechanismy, fyziologie a farmakologické využití“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 453 (2): 254–67. doi:10.1016 / j.bbrc.2014.05.090. PMID  24878531.
  4. ^ A b C d E Delmar JA, Su CC, Yu EW (2014). "Bakteriální multidrogové efluxní transportéry". Roční přehled biofyziky. 43: 93–117. doi:10.1146 / annurev-biophys-051013-022855. PMC  4769028. PMID  24702006.
  5. ^ Lubelski J, Konings WN, Driessen AJ (září 2007). „Distribuce a fyziologie transportérů typu ABC přispívající k multirezistenci bakterií“. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 71 (3): 463–76. doi:10.1128 / MMBR.00001-07. PMC  2168643. PMID  17804667.
  6. ^ Ughachukwu P, Unekwe P (červenec 2012). „Odtok zprostředkovaný efluxní pumpou v chemoterapii“. Annals of Medical and Health Sciences Research. 2 (2): 191–8. doi:10.4103/2141-9248.105671. PMC  3573517. PMID  23439914.
  7. ^ Okusu H, Ma D, Nikaido H (leden 1996). „AcrAB efluxní pumpa hraje hlavní roli ve fenotypu rezistence na antibiotika mutantů Escherichia coli s více rezistencí na antibiotika (Mar)“. Journal of Bacteriology. 178 (1): 306–8. doi:10.1128 / jb.178.1.306-308.1996. PMC  177656. PMID  8550435.
  8. ^ Vecchione JJ, Alexander B, Sello JK (listopad 2009). „Dvě zřetelné hlavní efluxní pumpy nadrodiny hlavních zprostředkovatelů zprostředkovávají rezistenci na chloramfenikol v Streptomyces coelicolor“. Antimikrobiální látky a chemoterapie. 53 (11): 4673–7. doi:10.1128 / AAC.00853-09. PMC  2772354. PMID  19687245.
  9. ^ Du D, Wang Z, James NR, Voss JE, Klimont E, Ohene-Agyei T a kol. (Květen 2014). "Struktura víceúčelové efluxní pumpy AcrAB-TolC". Příroda. 509 (7501): 512–5. Bibcode:2014Natur.509..512D. doi:10.1038 / příroda13205. PMC  4361902. PMID  24747401.
  10. ^ Rouquette C, Harmon JB, Shafer WM (srpen 1999). „Indukce systému efluxní pumpy kódované mtrCDE Neisseria gonorrhoeae vyžaduje MtrA, protein podobný AraC“. Molekulární mikrobiologie. 33 (3): 651–8. doi:10.1046 / j.1365-2958.1999.01517.x. PMID  10417654.
  11. ^ Pletzer D, Weingart H (leden 2014). „Charakterizace AcrD, multidrogové efluxní pumpy typu rezistence-nodulační buněčné dělení z patogenu požární plíseň Erwinia amylovora. Mikrobiologie BMC. 14: 13. doi:10.1186/1471-2180-14-13. PMC  3915751. PMID  24443882.
  12. ^ A b Morita Y, Sobel ML, Poole K (březen 2006). „Antibiotická indukovatelnost víceúčelového efluxního systému MexXY Pseudomonas aeruginosa: účast antibiotického indukovatelného produktu genu PA5471“. Journal of Bacteriology. 188 (5): 1847–55. doi:10.1128 / JB.188.5.1847-1855.2006. PMC  1426571. PMID  16484195.
  13. ^ Li XZ, Plésiat P, Nikaido H (duben 2015). „Výzva efluxní rezistence vůči antibiotikům u gramnegativních bakterií“. Recenze klinické mikrobiologie. 28 (2): 337–418. doi:10.1128 / CMR.00117-14. PMC  4402952. PMID  25788514.
  14. ^ Blanco P, Hernando-Amado S, Reales-Calderon JA, Corona F, Lira F, Alcalde-Rico M a kol. (Únor 2016). „Bakteriální víceúčelová efluxní čerpadla: mnohem více než determinanty rezistence na antibiotika“. Mikroorganismy. 4 (1): 14. doi:10,3390 / mikroorganismy4010014. PMC  5029519. PMID  27681908.
  15. ^ Juliano RL, Ling V (listopad 1976). "Povrchový glykoprotein modulující permeabilitu léčiva u mutantů vaječníků čínského křečka". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - biomembrány. 455 (1): 152–62. doi:10.1016/0005-2736(76)90160-7. PMID  990323.
  16. ^ A b Molnár J, Engi H, Hohmann J, Molnár P, Deli J, Wesolowska O a kol. (2010). „Zrušení rezistence na více léčivých přípravků přírodními látkami z rostlin“. Aktuální témata v medicinální chemii. 10 (17): 1757–68. doi:10.2174/156802610792928103. PMID  20645919.
  17. ^ Cushnie TP, Cushnie B, Lamb AJ (listopad 2014). „Alkaloidy: přehled jejich antibakteriálních, antibiotik zesilujících a antivirulenčních aktivit“. International Journal of Antimicrobial Agents. 44 (5): 377–86. doi:10.1016 / j.ijantimicag.2014.06.001. PMID  25130096.
  18. ^ Banoee M, Seif S, Nazari ZE, Jafari-Fesharaki P, Shahverdi HR, Moballegh A, et al. (Květen 2010). "Nanočástice ZnO zlepšily antibakteriální aktivitu ciprofloxacinu proti Staphylococcus aureus a Escherichia coli" (PDF). Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 93 (2): 557–61. doi:10,1002 / jbm.b.31615. PMID  20225250.