Pyocyanin - Pyocyanin

Pyocyanin[1]
Strukturní vzorec pyocyaninu
Model molekuly pyocyaninu vyplňující prostor
Jména
Název IUPAC
5-methylfenazin-1-on
Ostatní jména
Pyocyanin; Pyrocyanin; 5-Methyl-1 (5H) -fenazinon; Sanasin; Sanazin
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChemSpider
Informační karta ECHA100.213.248 Upravte to na Wikidata
PletivoD011710
UNII
Vlastnosti
C13H10N2Ó
Molární hmotnost210.236 g · mol−1
VzhledPevný
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Pyocyanin (PCN−) je jedním z mnoha toxinů produkovaných a vylučovaných Gram negativní bakterie Pseudomonas aeruginosa. Pyocyanin je modrý sekundární metabolit se schopností oxidovat a redukovat další molekuly[2] a proto zabíjet konkurenční mikroby P. aeruginosa stejně jako savčí buňky plic, které P. aeruginosa infikoval během cystická fibróza. Protože pyocyanin je a zwitterion při pH krve je snadno schopen projít buněčnou membránou. Existují tři různé stavy, ve kterých může pyocyanin existovat: oxidovaný, monovalentně redukovaný nebo dvojmocně redukovaný. Mitochondrie hrají důležitou roli v cyklování pyocyaninu mezi jeho redoxními stavy. Díky svým redoxaktivním vlastnostem se pyocyanin vytváří reaktivní formy kyslíku.

Syntéza

Aby mohl být pyocyanin syntetizován P. aeruginosa, musí být funkční dva specifické geny. MvfR je gen, který produkuje a transkripční faktor který se aktivuje phnAB geny. Tyto geny produkují molekulu chinolon, který pak reguluje operony 1 a 2 phzRABCDEFG které jsou klíčem k syntéze fenazinu.[3] Syntéza pyocyaninu je primárně řízena snímání kvora proces. P.aeruginosa kmeny, které nejsou schopné syntetizovat pyocyanin, mohou stále těžit z jeho účinků, pokud kmen koinfikoval plíce kmeny divokého typu, které mohou produkovat pyocyanin.[4] Biosyntéza může být narušena narušením aro cesta, která je zodpovědná za syntézu kyseliny chorismové ze shikimátu.[5] Kyselina chorismová je prekurzorem pyocyaninu.

kyselina shikimová → kyselina chorismová → fenazin-1-karboxylová kyselina → Betain kyseliny 5-methylfenazin-1-karboxylové → pyocyanin[6]

Úplná virulence P. aeruginosa lze pozorovat pouze tehdy, když je produkován pyocyanin.[7]

Redox válčení

Pyocyanin se deaktivuje kataláza snížením transkripce genu a přímým zaměřením na samotný enzym. Glutathion je důležitým antioxidantem modulovaným pyocyaninem.[8] Zejména zásoba redukované formy je vyčerpána, zatímco oxidovaná forma je podporována peroxidem vodíku, který není dismutován katalázou. V plicích cystické fibrózy přeměňuje intracelulární pyocyanin molekulární kyslík na volný radikál superoxidu oxidací NADPH do NADP+. To má dvojnásobně negativní účinek na plíce. Nejprve NADPH používaný pyocyaninem vyčerpává dostupný substrát pro reakci katalyzovanou NADPH oxidáza enzym. Za druhé, generovaný superoxidový radikál může inhibovat cytokiny, jako IL-4, IL-13 a IFN-y, které obvykle upregulují NADPH oxidázu. Když jsou plíce konfrontovány s pyocyaninem, zvyšuje se koncentrace katalázy a superoxiddismutáza je vidět, aby se vyrovnal s přívalem produkovaných radikálů.[9]

Cíle

Pyocyanin je schopen cílit na širokou škálu buněčných složek a cest. Mezi cesty ovlivněné pyocyaninem patří elektronový transportní řetězec vezikulární transport a růst buněk. Zvýšená citlivost na pyocyanin je patrná v buňkách, které mají mutaci v určitých proteinech nebo komplexech. Mutace ovlivňující geny V-ATPáza syntéza a montáž,[10] stroje na transport vezikul a stroje na třídění proteinů - to vše uděluje zvýšenou citlivost na pyocyanin, což dále zvyšuje účinky na cystickou fibrózu u pacienta. Vakuolární-ATPáza v kvasinkových buňkách je obzvláště silným cílem, protože je hlavním nemitochondriálním producentem ATP, ale má také řadu dalších funkcí, jako je homeostatická kontrola vápníku, usnadnění endocytózy zprostředkované receptorem a degradace proteinů. Proto má inaktivace vakuolární-ATPázy peroxidem vodíku produkovaným pyocyaninem obrovské důsledky pro plíce. Kromě těchto účinků je dalším cílem pyocyaninu proteázy podobné kaspáze 3, které pak mohou pokračovat v iniciaci apoptóza a nekróza. Mitochondriální nosiče elektronů ubichinon a kyselina nikotinová jsou také citlivé na pyocyanin.[11] Buněčný cyklus může být narušen působením pyocyaninu a může bránit šíření lymfocyty.[12] To se děje generací reaktivní meziprodukty kyslíku, jako peroxid vodíku a superoxid, které způsobují oxidační stres přímým poškozením DNA nebo cílením na jiné složky buněčného cyklu, jako je například rekombinace DNA a opravné stroje. Pyocyanin přispívá k disproporci aktivity proteázy a antiproteázy deaktivací α1- inhibitor proteázy.

Cystická fibróza

Mnoho studií dospělo k závěru, že pyocyanin má hanlivý účinek na cystickou fibrózu, který umožňuje P. aeruginosa přetrvávat v plicích cystické fibrózy; je často detekován ve sputu pacientů s cystickou fibrózou. Pyocyanin in vitro má schopnost interferovat s funkcemi, jako je bití řasinek, a proto způsobuje epiteliální dysfunkci, protože řasinky jsou potřebné k zametání hlenu do krku.[13] Dodatečně, neutrofily apoptóza,[14] uvolňování imunoglobulinu z B-lymfocyty a uvolňování interleukinu (např. IL-8[15] a CCL5 ) jsou narušeny pyocyaninem, což oslabuje imunitní systém plic. Studie in vivo prokázaly, že růst plísní je inhibován v přítomnosti pyocyaninu.[16] Fungicidním mechanismem je aktivace NAD (P) H k indukci redox-aktivní kaskády produkující reaktivní meziprodukty kyslíku. To dovoluje P. aeruginosa mít konkurenční výhodu, protože může dominovat nad jinými mikroorganismy v plicích cystické fibrózy. Intracelulární koncentrace ATP je také snížen pyocyaninem, který způsobuje další poškození CFTR které jsou již narušeny při cystické fibróze. Kanály CFTR se spoléhají na ATP ze dvou hlavních důvodů. Nejprve k vazbě a hydrolýze ATP musí dojít ve dvou doménách vázajících nukleotidy, aby se kanál mohl pohybovat mezi otevřenou a uzavřenou konformací.[17] Zadruhé, fosforylace CFTR pomocí Protein kináza A Mělo by dojít k II, aby byl kanál funkční. PKA II je aktivován cAMP, který je produkován z ATP. Oba tyto procesy jsou narušeny, když je ATP vyčerpán pyocyaninem.

Obrana proti pyocyaninu

Caenorhabditis elegans má dva specifické Přepravníky ABC volala pgp-1 a pgp-2 které jsou účinně schopné vytlačovat intracelulární pyocyanin způsobem závislým na energii.[18]

Biosyntéza

Biosyntéza pyocyaninu z Pseudomonas aeruginosa. Vodíky odebrané během dalšího enzymatického kroku byly zbarveny červeně.

Biosyntéza pyocyaninu začíná syntézou jádra kyseliny fenazin-1-karboxylové (PCA).[19] V této reakci enzym PhzE katalyzuje ztrátu hydroxylové skupiny z C4 kyseliny chorismové, jakož i přenos aminové skupiny z glutaminu za vzniku kyseliny glutamové a kyseliny 2-amino-2-desoxyisochorismové (ADIC).[20] Poté PhzD katalyzuje hydrolytické odstranění pyruvátové skupiny z ADIC za vzniku (5S, 6S) -6-amino-5-hydroxy-1,3-cyklohexadieve-1-karboxylové kyseliny (DHHA).[20] V dalším kroku PhzF katalyzuje dva kroky: odběr vodíku z C3 DHHA, delokalizaci systému dvojných vazeb a reprotonaci na C1, stejně jako enol tautomerizaci za vzniku vysoce nestabilního 6-amino-5-oxocyklohex-2- en-1-karboxylová kyselina (AOCHC).[20] Odtud dvě molekuly AOCHC kondenzují PhzB za vzniku tricyklické sloučeniny, kyseliny hexahydrophenazin-1,6-dikarboxylové (HHPDC).[20] Produkt této reakce, HHPDC, je nestabilní a spontánně podléhá oxidační dekarboxylaci v nekatalyzované reakci za vzniku kyseliny tetrahydrofenazin-1,6-karboxylové (THPCA).[20] V posledním kroku syntézy fenazin-1-karboxylové kyseliny enzym PhzG katalyzuje oxidaci THPCA na dihydrofenazin-1-karboxylovou kyselinu.[20] Toto je poslední katalyzovaný krok při výrobě PCA, posledním krokem je nekatalyzovaná oxidace DHPCA na PCA.[20] Konverze PCA na pyocyanin je dosažena ve dvou enzymatických krocích: za prvé, PCA je methylován na N5 na 5-methylfenazin-1-karboxylát betain pomocí enzymu PhzM za použití kofaktoru S-adenosyl-L-methioninu a za druhé, PhzS katalyzuje hydroxylativní dekarboxylací tohoto substrátu za vzniku konečného produktu, pyocyaninu.[19]

Viz také

Reference

  1. ^ Pyocyanin na Sigma-Aldrich
  2. ^ Hassan H, Fridovich I (1980). "Mechanismus antibiotického působení pyocyaninu". Journal of Bacteriology. 141 (1): 156–163. doi:10.1128 / JB.141.1.156-163.1980. PMC  293551. PMID  6243619.
  3. ^ Mavrodi D, Bonsall, R, Delaney, S, Soule, M, Phillips G & Thomashow, L. S. (2001). "Funkční analýza genů pro biosyntézu pyocyaninu a fenazin-1-karboxamidu z Pseudomonas aeruginosa PAO1 ". Journal of Bacteriology. 183 (21): 6454–6465. doi:10.1128 / JB.183.21.6454-6465.2001. PMC  100142. PMID  11591691.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  4. ^ Lau E, Ran H, Kong F, Hassett D, Mavrodi D (2004). "Pseudomonas aeruginosa Pyocyanin je kritický pro infekci plic u myší ". Infekce a imunita. 72 (7): 4275–4278. doi:10.1128 / IAI.72.7.4275-4278.2004. PMC  427412. PMID  15213173.
  5. ^ Denning G, Iyer S, Reszka K, O'Malley Y, Rasmussen G, Britigan B (2003). „Kyselina fenazin-1-karboxylová, sekundární metabolit Pseudomonas aeruginosa, mění expresi imunomodulačních proteinů v lidských epiteliálních buňkách dýchacích cest“. American Journal of Physiology. 285 (3): 584 – L592. doi:10.1152 / ajplung.00086.2003. PMID  12765878.
  6. ^ Lau G, Hassett D, Ran H, Kong F (2004). "Role pyocyaninu při infekci Pseudomonas aeruginosa". Trendy v molekulární medicíně. 10 (12): 1–666. doi:10.1016 / j.molmed.2004.10.002. PMID  15567330.
  7. ^ Britigin B, Railsback A, Cox D (1999). „The Pseudomonas aeruginosa sekreční produkt pyocyanin inaktivuje inhibitor α1 proteázy: důsledky pro patogenezi plicní nemoci s cystickou fibrózou ". Infekce a imunita. 67 (3): 1207–1212. doi:10.1128 / IAI.67.3.1207-1212.1999. PMC  96448. PMID  10024562.
  8. ^ Muller M (2002). „Pyocyanin indukuje oxidační stres v lidských endoteliálních buňkách a moduluje redoxní cyklus glutathionu“. Volná radikální biologie a medicína. 33 (11): 1527–1533. doi:10.1016 / S0891-5849 (02) 01087-0. PMID  12446210.
  9. ^ Huimin R, Hassett D & Lau G (2003). "Lidské cíle Pseudomonas aeruginosa pyocyanin ". PNAS. 100 (24): 14315–14320. Bibcode:2003PNAS..10014315R. doi:10.1073 / pnas.2332354100. PMC  283589. PMID  14605211.
  10. ^ Ho M, Hirata R, Umemota N, Ohya Y, Takatsuki A, Stevens T, Anraku Y (1993). „VMA13 kóduje vakuolární H (+) ATPázovou podjednotku 54 kDa požadovanou pro aktivitu, ale ne pro sestavení komplexu enzymu v Saccharomyces cerevisiae". The Journal of Biological Chemistry. 268 (24): 18286–18292. PMID  8349704.
  11. ^ Hassett D, Woodruff W, Wozniak D, Vasil M, Cohen S, Ohman D (1993). "Klonování a charakterizace Pseudomonas aeruginosa geny sody a sodB kódující SOD kofaktorované s manganem a železem: demonstrace zvýšené aktivity dismutázy Mn SOD v bakteriích produkujících alginát ". Journal of Bacteriology. 175 (23): 7658–65. doi:10.1128 / jb.175.23.7658-7665.1993. PMC  206923. PMID  8244935.
  12. ^ Sorensen R, Klinger J. (1987). "Biologické účinky pigmentů Pseudomonas aeruginosa phenazine". Základní výzkum a klinické aspekty Pseudomonas Aeruginosa. Journal of Antibiotic Chemotherapy. Antibiotika a chemoterapie. 39. str. 113–124. doi:10.1159/000414339. ISBN  978-3-8055-4541-9. PMID  3118778.
  13. ^ Kanthakumar K, Taylor G, Tsang K, Cundell D, Rutman A, Smith S, Jeffery P, Cole P, Wilson R (1993). "Mechanismus působení Pseudomona aeruginosa pyocyanin na lidském ciliárním rytmu in vitro ". Infekce a imunita. 61 (7): 2848–2853. doi:10.1128 / IAI.61.7.2848-2853.1993. PMC  280930. PMID  8390405.
  14. ^ Usher L, Lawson R, Gaery I, Taylor C, Bingle C, Taylor G, Whyte M (2002). "Indukce apoptózy neutrofilů pomocí Pseudomonas aeruginosa exotoxin pyocyanin: potenciální mechanismus přetrvávající infekce “. The Journal of Immunology. 168 (4): 1861–1868. doi:10,4049 / jimmunol.168.4.1861. PMID  11823520. S2CID  12207823.
  15. ^ Denning G, Wollenweber L, Railsback M, Cox C, Stoll L, Britigan B (1998). "Pseudomonas pyocyanin zvyšuje expresi interleukinu-8 v lidských epiteliálních buňkách dýchacích cest ". Infekce a imunita. 66 (12): 5777–5784. doi:10.1128 / IAI.66.12.5777-5784.1998. PMC  108730. PMID  9826354.
  16. ^ Kerr J, Taylor G, Rutman A, Hoiby N, Cole P, Wilson R (1998). "Pseudomonas aeruginosa pyocyanin a 1-hydroxyfenazin obývají růst hub ". Journal of Clinical Pathology. 52 (5): 385–387. doi:10.1136 / jcp.52.5.385. PMC  1023078. PMID  10560362.
  17. ^ Ostedgaard S, Baldursson O, Vermeer D, Welsh M, Robertson A (2001). "Regulace kanálu ClK kanálu transmembránové vodivosti cystické fibrózy jeho R doménou". Journal of Biological Chemistry. 276 (11): 7689–7692. doi:10,1074 / jbc.R100001200. PMID  11244086.
  18. ^ Mahajan-Miklos S, Tan M, Rahme L, Ausubel F (1999). "Molekulární mechanismy bakteriální virulence objasněné pomocí a Pseudomonas aeruginosa-Caenorhabditis elegans model patogeneze ". Buňka. 96 (1): 47–56. doi:10.1016 / S0092-8674 (00) 80958-7. PMID  9989496. S2CID  11207155.
  19. ^ A b Mavrodi, D. V .; Bonsall, R. F .; Delaney, S. M .; Soule, M. J .; Phillips, G .; Thomashow, L. S. (2001). "Funkční analýza genů pro biosyntézu pyocyaninu a fenazin-1-karboxamidu z Pseudomonas aeruginosa PAO1". Journal of Bacteriology. 183 (21): 6454–6465. doi:10.1128 / JB.183.21.6454-6465.2001. ISSN  0021-9193. PMC  100142. PMID  11591691.
  20. ^ A b C d E F G Blankenfeldt, Wulf; Parsons, James F (2014). „Strukturní biologie biosyntézy fenazinu“. Aktuální názor na strukturní biologii. 29: 26–33. doi:10.1016 / j.sbi.2014.08.013. ISSN  0959-440X. PMC  4268259. PMID  25215885.

externí odkazy