Новый BRICHOS-ассоциированный дефенсин-подобный антимикробный пептид из морской полихеты Arenicola marina

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На сегодняшний день морские многощетинковые черви или полихеты остаются малоизученным классом беспозвоночных животных с точки зрения выяснения особенностей функционирования их иммунной системы и, в частности, биоразнообразия антимикробных пептидов (АМП), играющих ключевую роль в защите организма-хозяина от окружающих патогенов и регулирующих видовой состав симбиотических микроорганизмов. Изучение биосинтеза защитных АМП у полихет выявило интересную закономерность, а именно наличие так называемого BRICHOS-домена в составе белков-предшественников целого ряда таких пептидов. Консервативная структура этого домена позволяет проводить биоинформатический поиск предшественников АМП в транскриптомах полихет. В данной работе нами был обнаружен и исследован новый BRICHOS-ассоциированный АМП из пескожила Arenicola marina, представляющий не выявленное ранее у морских червей структурное семейство дефенсин-подобных пептидов, стабилизированных четырьмя дисульфидными связями. Пептид, содержащий 44 а.о. и названный нами AmBRI-44a, был получен путем гетерологической экспрессии в бактериальной системе Escherichia coli. Показано, что AmBRI-44a обладает специфической активностью в отношении узкого спектра грамположительных бактерий и не проявляет выраженного цитотоксического действия на эукариотические клетки линии HEK293T. Генетический и фенотипический анализ отобранных бактерий Bacillus licheniformis B-511, устойчивых к AmBRI-44a, указывает на возможный механизм антибактериального действия пептида, связанный с ингибированием биосинтеза клеточной стенки бактерий. Полученные результаты позволяют рассматривать новый АМП AmBRI-44a в качестве кандидатного соединения для создания антибиотического средства, которое потенциально может быть эффективным при лечении инфекционных заболеваний, опосредованных грамположительными бактериями с множественной лекарственной устойчивостью.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Н. Сафронова

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

П. В. Пантелеев

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Р. Н. Кругликов

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

И. А. Болосов

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Е. И. Финкина

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Т. В. Овчинникова

ФГБУН “Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова” РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ovch@ibch.ru
Россия, 117997 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10

Список литературы

  1. Lazzaro B.P., Zasloff M., Rolff J. // Science. 2020. V. 368. P. eaau5480. https://doi.org/10.1126/science.aau5480
  2. Guryanova S.V., Ovchinnikova T.V. // Mar. Drugs. 2022. V. 20. P. 549. https://doi.org/10.3390/md20090549
  3. Guryanova S.V., Balandin S.V., Belogurova-Ovchinnikova O.Yu., Ovchinnikova T.V. // Mar. Drugs. 2023. V. 21. P. 503. https://doi.org/10.3390/md21100503
  4. Mora C., Tittensor D.P., Adl S., Simpson A.G., Worm B. // PLoS Biol. 2011. V. 9. P. e1001127. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001127
  5. World Register of Marine Species. www.marinespecies.org
  6. Panteleev P.V., Tsarev A.V., Safronova V.N., Reznikova O.V., Bolosov I.A., Sychev S.V., Shenkarev Z.O., Ovchinnikova T.V. // Mar. Drugs. 2020. V. 18. P. 620. https://doi.org/10.3390/md18120620
  7. Ovchinnikova T.V., Aleshina G.M., Balandin S.V., Krasnosdembskaya A.D., Markelov M.L., Frolova E.I., Leonova Y.F., Tagaev A.A., Krasnodembsky E.G., Kokryakov V.N. // FEBS Lett. 2004. V. 577. P. 209–214. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2004.10.012
  8. Panteleev P.V., Tsarev A.V., Bolosov I.A., Paramonov A.S., Marggraf M.B., Sychev S.V., Shenkarev Z.O., Ovchinnikova T.V. // Mar. Drugs. 2018. V. 16. P. 401. https://doi.org/10.3390/md16110401
  9. Metelev M., Osterman I.A., Ghilarov D., Khabibullina N.F., Yakimov. A., Shabalin K., Utkina I., Travin D.Y., Komarova E.S., Serebryakova M., Artamonova T., Khodorkovskii M., Konevega A.L., Sergiev P.V., Severinov K., Polikanov Y.S. // Nat. Chem. Biol. 2017. V. 13. P. 1129–1136. https://doi.org/10.1038/nchembio.2462
  10. Safronova V.N., Bolosov I.A., Kruglikov R.N., Korobova O.V., Pereskokova E.S., Borzilov A.I., Panteleev P.V., Ovchinnikova T.V. // Mar. Drugs. 2022. V. 20. P. 517. https://doi.org/10.3390/md20080517
  11. Presto J., Johansson J. // Springer International Publishing. 2015. P. 1–28. ISBN 978-3-319-16563-9.
  12. Leppert A., Poska H., Landreh M., Abelein A., Chen G., Johansson J.A. // Protein Sci. 2023. V. 32. P. e4645. https://doi.org/10.1002/pro.4645
  13. Bruno R., Boidin-Wichlacz C., Melnyk O., Zeppilli D., Landon C., Thomas F., Cambon M.-A., Lafond M., Mabrouk K., Massol F., Hourdez S, Maresca M., Jollivet D., Tasiemski A. // Sci. Total Environ. 2023. V. 879. P. 162875. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162875
  14. Panteleev P.V., Safronova V.N., Duan, S., Komlev A.S., Bolosov I.A., Kruglikov R.N., Kombarova T.I., Korobova O.V., Pereskokova E.S., Borzilov A.I., Dyachenko I.A., Shamova O.V., Huang Y., Shi Q., Ovchinnikova, T.V. // Mar. Drugs. 2023. V. 21. P. 639. https://doi.org/10.3390/md21120639
  15. Graf M., Mardirossia M., Nguyen F., Seefeldt A.C., Guichard G., Scocchi M., Innis C.A., Wilson D.N. // Nat. Prod. Rep. 2017. V. 34. P. 702–711. https://doi.org/10.1039/c7np00020k
  16. Vetterli S.U., Zerbe K., Müller M., Urfer M., Mondal M., Wang, S.-Y., Moehle K., Zerbe O., Vitale A., Pessi G., Eberl L., Wollscheid B., Robinson J.A. // Sci. Adv. 2018. V. 4. P. eaau2634. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau2634
  17. Grein F., Schneide, T., Sahl H.-G. // J. Mol. Biol. 2019. V. 431. P. 3520–3530. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2019.05.014
  18. Stanovova M.V., Gazizova G.R., Gorbushin A.M. // J. Exp. Zoolog. B Mol. Dev. Evol. 2023. V. 340. P. 34–55. https://doi.org/10.1002/jez.b.23135
  19. Potter S.C., Luciani A., Eddy S.R., Park Y., Lopez R., Finn R.D. // Nucleic Acids Res. 2018. V. 46. P. W200– W204. https://doi.org/10.1093/nar/gky448
  20. Wang G., Li X., Wang Z. // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. P. D1087–D1093. https://doi.org/10.1093/nar/gkv1278
  21. Slezina M.P., Odintsova T.I. // Curr. Issues Mol. Biol. 2023. V. 45. P. 3674–3704. https://doi.org/10.3390/cimb45040239
  22. Shenkarev Z.O., Panteleev P.V., Balandin S.V., Gizatullina A.K., Altukhov D.A., Finkina E.I., Kokryakov V.N., Arseniev A.S., Ovchinnikova T.V. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2012. V. 429. P. 63– 69. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2012.10.092
  23. Panteleev P.V., Bolosov I.A., Balandin S.V., Ovchinnikova T.V. // J. Pept. Sci. 2015. V. 21. P. 105–113. https://doi.org/10.1002/psc.2732
  24. Rodríguez-Romero A., Arreguín B., Hernández-Arana A. // Biochim. Biophys. Acta BBA – Protein Struct. Mol. Enzymol. 1989. V. 998. P. 21–24. https://doi.org/10.1016/0167-4838(89)90113-1
  25. Bruno R., Maresca M., Canaan S., Cavalier J-F., Mabrouk K., Boidin-Wichlacz C., Olleik H., Zeppilli D., Brodin P., Massol F., Jollivet D., Jung S., Tasiemski A. // Mar. Drugs. 2019. V. 17. P. 512. https://doi.org/10.3390/md17090512
  26. Letunic I., Khedkar S., Bork P. // Nucleic Acids Res. 2021. V. 49. P. D458–D460. https://doi.org/10.1093/nar/gkaa937
  27. Koo B.-M., Kritikos G., Farelli J.D., Todor H., Tong K., Kimsey H., Wapinski I., Galardini M., Cabal A., Peters J.M., Hachmann A.-B., Rudner D.Z., Allen K.N., Typas A., Gross C.A. // Cell Syst. 2017. V. 4. P. 291– 305.e7. https://doi.org/10.1016/j.cels.2016.12.013
  28. Dubrac S., Bisicchia P., Devine K.M., Msadek T.A. // Mol. Microbiol. 2008. V. 70. P. 1307–1322. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2008.06483.x
  29. Blockley A., Elliott D., Roberts A., Sweet M. // Diversity. 2017. V. 9. P. 49. https://doi.org/10.3390/d9040049
  30. Kato A., Ueda S., Oshima T., Inukai Y., Okajima T., Igarashi M., Eguchi Y., Utsumi R. // J. Gen. Appl. Microbiol. 2017. V. 63. P. 212–221. https://doi.org/10.2323/jgam.2016.10.007
  31. Watanabe, T., Igarashi M., Okajima T., Ishii E., Kino H., Hatano M., Sawa R., Umekita M., Kimura T., Okamoto S., Eguchi Y., Akamatsu Y., Utsumi R. // Antimicrob. Agents Chemother. 2012. V. 56. P. 3657–3663. https://doi.org/10.1128/AAC.06467-11
  32. Zhu J., Liu B., Shu X., Sun B. // Int. J. Med. Microbiol. IJMM. 2021. V. 311. P. 151473. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2021.151473
  33. Jaumaux F., Petit K., Martin A., Rodriguez-Villalobos H., Vermeersch M., Perez-Morga D., Gabant P. // Antibiotics. 2023. V. 12. P. 947. https://doi.org/10.3390/antibiotics12060947
  34. Vollmer W., Blanot D. de Pedro M.A. // FEMS Microbiol. Rev. 2008. V. 32. P. 149–167. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2007.00094.x
  35. Provencher S.W., Glöckner J. // Biochemistry. 1981. V. 20. P. 33–37. https://doi.org/10.1021/bi00504a006
  36. Mirdita M., Schütze K., Moriwaki Y., Heo L., Ovchinnikov S., Steinegger M. // Nat. Methods. 2022. V. 19. P. 679–682. https://doi.org/10.1038/s41592-022-01488-1
  37. Baseri N., Najar-Peerayeh S., Bakhshi B. // BMC Microbiol. 2021.V. 21. P. 240. https://doi.org/10.1186/s12866-021-02298-9

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Первичная структура новых BRICHOS-ассоциированных пептидов из A. marina. (а) – Структурная организация белков-предшественников новых цистеин-богатых пептидов. TM – трансмембранный (якорный) участок; KR – сайт потенциального процессинга фурин-подобными протеазами (обозначено “ножницами”); АМП – участок, соответствующий зрелому пептиду; (б) – выравнивание аминокислотных последовательностей пептида AmIMP2 [18], новых пептидов AmBRI-44a и AmBRI-44b из A. marina и гевеина из Hevea brasiliensis (UniProt: P02877). Остатки цистеина выделены черным фоном, остатки аргинина и лизина – серым фоном. Остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот подчеркнуты. Квадратные скобки показывают порядок замыкания четырех дисульфидных связей.

Скачать (93KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Получение рекомбинантного пептида AmBRI-44a и его структурная характеристика. (а) – Хроматограмма очистки пептида AmBRI-44a методом ОФ-ВЭЖХ. Выход пептида детектировали по изменению оптического поглощения при длинах волн 214 нм (серая линия) и 280 нм (черная линия). Звездочкой на хроматограмме отмечена фракция, содержащая целевой пептид; (б) – MALDI-масс-спектрометрический анализ фракции ОФ-ВЭЖХ, соответствующей целевому пептиду; (в) – спектры кругового дихроизма (КД) очищенного рекомбинантного пептида AmBRI-44a в воде и в мицеллах додецилфосфохолина (ДФХ); (г) – анализ вторичной структуры пептида AmBRI-44a с использованием данных КД-спектроскопии и программы CONTINLL [35]; (д) – моделирование пространственной структуры пептида AmBRI-44a было проведено с использованием алгоритма AlphaFold2 (программа ColabFold [36]), визуализация модели получена в программе PyMol. Дисульфидные связи выделены черным цветом; (е) – аминокислотная последовательность пептида AmBRI-44a. Серым цветом выделены оснóвные аминокислотные остатки, подчеркиванием – кислые. Квадратные скобки показывают возможный характер замыкания дисульфидных связей (в соответствии с предсказанной моделью пространственной структуры пептида).

Скачать (136KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Биологическая активность рекомбинантного пептида AmBRI-44a. (а) – Антимикробная активность в отношении грамположительных бактерий и дрожжеподобных грибов; (б) – цитотоксичность пептида в отношении клеток человека.

Скачать (118KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Предполагаемый механизм антибактериального действия пептида AmBRI-44a. (а) – Индукция устойчивости бактерий Bacillus licheniformis B-511 к пептиду AmBRI-44a (начальное значение МИК 0.25 мкМ). После 27 сут последовательных пассажей в присутствии пептида AmBRI-44a бактериальную культуру, способную расти при максимальной концентрации АМП, пересевали на агаризованной среде MHB в течение 3 сут, после чего определяли итоговое значение МИК; (б) – структурная организация сенсорной гистидинкиназы WalK бактерий B. licheniformis, которая состоит из пяти доменов: PAS* (PER-ARNT-SIM sensor) – внеклеточный сенсорный домен; HAMP-домен белка WalK (аббревиатура отражает присутствие домена в следующих белках: Histidine kinases, Adenylyl cyclases, Methyl-accepting chemotaxis proteins, Phosphatases) – цитоплазматический домен, ответственный за фосфорилирование при передаче сигнала; PAS – цитоплазматический сенсорный домен; HisKA – димеризующийся домен, ответственный за аутофосфорилирование гистидина; HATPase – АТФазный домен гистидинкиназы; (в) – выравнивание аминокислотных последовательностей HAMP-домена гистидинкиназы WalK для различных бактерий. Обнаруженные ранее остатки, для которых был показан полиморфизм и соответствующий мутантный фенотип устойчивости бактерий S. aureus к ванкомицину (согласно данным [32, 37]), выделены черным цветом. Мутация WalK[R217S], обнаруженная в данном исследовании у B. licheniformis, выделена серым цветом.

Скачать (161KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах