Lizini

Lizozimoliki fagni lizin
Identifikatori
EC broj	3.2.1.17
CAS broj	9001-63-2
Baze podataka
IntEnz	IntEnz pregled
BRENDA	BRENDA unos
ExPASy	NiceZyme pregled
KEGG	KEGG unos
MetaCyc	metabolički put
PRIAM	profil
PDB strukture	RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
Ontologija gena	AmiGO / QuickGO
Pretraga PMC članci PubMed članci NCBI proteini

Lizini – poznati i kao endolizini ili mureinske hidrolaze – su hidrolitski enzimi koje proizvode bakteriofagi za razgradnju ćelijskog zida domaćina tokom završne faze ciklusa razgradnje. Lizini su visoko razvijeni enzimi koji su u stanju da ciljaju jednu od pet veza u peptidoglikanima (mureini), glavnim komponentama zidova bakterijske ćelije, koja omogućava oslobađanje potomstva viriona iz razgrađene ćelije. Ovi enzimi se koriste kao antibakterijski agensi, zbog njihove visoke učinkovitosti i specifičnosti u odnosu na antibiotike, koji su podložni rezistenciji bakterija.^[1]

Lizine ne simtetiziraju svi bakteriofagi, a neki mali fagi sa jednostrukom DNK i RNK proizvode proteine koji aktiviraj autolitske mehanizme domaćina.^[2]

Struktura

Lizini dvolančanog DNK faga imaju spektar veličine od 25 do 40 k Da. Izuzetak je streptokokni PlyC endolizin, sa 114 kDa. PlyC nije samo najveći i najpotentniji lizin, već i strukturno jedinstven jer se sastoji od dva različita genska proizvoda, PlyCA i PlyCB, s omjerom od osam PlyCB podjedinica na svaku PlyCA, u svojoj aktivnoj konformaciji.^[3] Svi ostali lizini su monomer koje čine dva domena odvojena kratkom linkerskom regijom . N-kraj domena katalizira hidrolizu peptidoglikana, a domen C-kraja se veže za ćelijski zid podloge.

Katalitski domen

Katalitski domen je odgovoran za cijepanje peptidoglikanskih veza. Funkcijski, može se izdvojiti pet vrsta lizinskih katalitskih domena:

• Endo-β-N-acetilglukozaminidaza
• N-acetilmuramidaza (kao što je lizozim)
• Endopeptidaza
• N-acetilmuramoil-L-alanin amidaza
• γ-D -glutaminil-L-lizin endopeptidaza

Peptidoglikan sastoji se od umreženih aminokiselina i šećera koje čine inazmjenične amino šećere: N-acetilglukozamin (NAG) i N-acetilmuraminsku kiselinu (NAM). Endo-β-N-acetilglukozaminidazni lizini razlažu NAG, dok N-acetilmuramidazni (lizini poput lizozima) cijepaju NAM. Endopeptidazni lizini razlažu bilo koju od peptidnih veza između aminokiselina, dok N-acetilmuramoil-l-alanin amidazni lizini (ili jednostavno amidazni lizini) hidroliziraju amidnu vezu između šećera i aminokiselinskih ostataka. Konačno, nedavno je otkriveno da γ-D-glutaminil-l-lizin endopeptidazni lizini razlažu gama vezu između D-glutamina i L-lizin ostataka. Obično, dva ili više različitih katalitskih domena su povezana za jednostruki domen koji je vezan za ćeliju. To je tipsko kod mnogih stafilokoknih, kao i streptokoknog PlyC holoenzima, koji sadrži dva katalitska domena.^[3][4] Catalytic domains are highly conserved in phage lysins of the same class.^[1]

Ćelijski vezani domen

Domen koji je vezan za ćeliju (CBD) I veže se za određenu podlogu, nalazi u zidu ćelije domaćinske bakterije, obično ugljikohidrat. Za razliku od katalitskog domena, ovaj domen je varijabilan, što omogućava veliku specifičnost i smanjuje otpornost bakterija.^[5] Afinitet vezanja za ćelijski zid podloge je visok, možda kako bi se na ćelijski zid vezali fragmenati bilo kojeg slobodnog enzima, koji bi mogao konkurirati fagnom potomstvu u zarazi domaćinu susjednih bakterija.^[6]

Evolucija

Predloženo je da je glavni mehanizam evolucije fagmih lizina razmjena modularnih jedinica, što je proces kojim zamjenjuju svoje različite katalitske ke i ćelijski vezane domene između lizina, što bi dovelo do novih kombinacija i bakterijskih vezanja i katalitske specifičnosti.^[7]

Način djelovanja

Lizinski katalitski domen digestira peptidoglikane lokalno po visokoj stopi, što uzrokuje rupe u zidu ćelije. S obzirom da je umreženi peptidoglikanski zid ćelija jedini mehanizam koji sprečava spontani nalet bakterijskih ćelija zbog visokog unutrašnjeg pritiska (3 do 5 atmosfera), enzimske digestije putem lizina nepovratno izazivaju hipotonične lize. Teorijski, zbog katalitskog svojstva fagnih lizina, jedan enzim bi bio dovoljna da ubije domaćina bakteriju, razlaganjem potrebnog broja veza, iako je to tek treba da se dokaže.^[1]

Rad Loessnera i suradnika ukazuje na to da se cijepanje veza obično postiže zajedničkim djelovanjem više lizinskih molekula na lokalnom području zida ćelije domaćina.^[6] Visoki afinitet vezanja za ćelijski zid podloge (blizu kao IgG za njegov supstrat), čini se da je za svaku lizin potrebno više molekula, jer svaki od njih se veže tako čvrsto na zid ćelije da se ne može razložiti dovoljno veza i izazvati lizu sam po sebi.^[6]

Nakon zida ćelije, fagni lizini moraju prijeći ćelijske membrane. Međutim, oni nemaju signalni peptid koji bi im omogućio da to učine. Da bi se takav problem riješio, virusni fagi sintetiziraju drugi protein holin, koji se veže za ćelijsku membranu i čini rupe u njemu (otuda ime), omogućavajući lizinima da stignu do peptidoglikanske matrice. Prototip holina je S protein lambda faga, koji pomaže R proteinu lambda faga (lizin). Svi holini se usađuju u ćelijske membrane i sadrže najmanje dva transmembranska spiralna domena. Smatra se da proces stvaranja rupa može postići holinskom oligomeracijom u određenom trenutku, kada su potomci viriona postavljeni za oslobađanje.^[2][8]

Djelotvornost

Fagni lizini su uglavnom specifični za vrste ili podvrste, što znači da su efikasni samo protiv bakterija od kojih su proizvedeni. Dok neki lizini djeluju samo po ćelijskim zidovima nekoliko bakterijskih filotipova, pronađeni su i neki lizini širokog spektra.^[9] Slično tome, poznati su i neki termostabilni lizini, što ih čini pogodnijim za upotrebu u biotehnologiji.^[10] Što se tiče njihove upotrebe kao antibiotika, pronađeni lizini su efikasni uglavnom protiv Gram-pozitivnih bakterija, jer Gram-negativne bakterije posjeduju vanjske membrame koje sprečavaju vanćelijske lizinske molekule za razgradnju peptidoglikana.^[1] Međutim, lizini sa aktivnošću protiv gram-negativnih bakterija, kao što je OBPgp279, privlače interes kao potencijalni terapeutici.^[11]

Imunski odgovor

Glavni članak: Imunski odgovor

Jedan od najproblematičnijih aspekata korištenja fagnih lizina kao antimikrobnih agenasa je potencijal imunogenosti ovih enzima. Za razliku od većine antibiotika, proteini su skloni prepoznavanju antitijela i vezanju, što znači da lizini mogu biti neefikasni u liječenju bakterijskih infekcija ili čak opasni, jer potencijalno dovode do sistemskog imunskog odgovor ili citokinska oluja. Ipak, eksperimentalni podaci o imunološki bogatom zečjem serumu su pokazali da hiperimuni serum usporava, ali ne blokira aktivnost pneumokoknog lizina Cpl-1.^[12]

Antimikrobna upotreba

Fagni lizini su uspješno testirani u životinjskim modelima, za kontrolu patogenih bakterija otpornih na antibiotike koje se nalaze na sluznicama i u krvi. Glavna prednost lizina u odnosu na antibiotike nije samo niska bakterijska otpornost, nego i visoka specifičnost prema ciljnim patogena i niska aktivnost prema normalnoj bakterijskoj flori domaćina.^[1]

Lizini su prvi put upotrebljeni u terapeutske svrshe kod životinja, u 2001. godini, u eksperimentu u kojem su miševa oralno kolonizovani bakterijom Streptococcus pyogenes , a delolonizirani su jednom oralnom dozom PlyC lizina.^[13]

Također pogledajte

• Bakteriofag

Reference

1. Fischetti VA (2008). "Bacteriophage lysins as effective antibacterials". Current Opinion in Microbiology. 11 (5): 393–400. doi:10.1016/j.mib.2008.09.012. PMC 2597892. PMID 18824123.
2. Young R (1992). "Bacteriophage lysis: mechanism and regulation". Microbiological Reviews. 56 (3): 430–81. PMC 372879. PMID 1406491.
3. McGowan S, Buckle AM, Mitchell MS, Hoopes JT, Gallagher DT, Heselpoth RD, Shen Y, Reboul CF, Law RH, Fischetti VA, Whisstock JC, Nelson DC (Jul 2012). "X-ray crystal structure of the streptococcal specific phage lysin PlyC". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (31): 12752–7. Bibcode:2012PNAS..10912752M. doi:10.1073/pnas.1208424109. PMC 3412044. PMID 22807482.
4. Navarre WW, Ton-That H, Faull KF, Schneewind O (1999). "Multiple enzymatic activities of the murein hydrolase from staphylococcal phage phi11. Identification of a D-alanyl-glycine endopeptidase activity". The Journal of Biological Chemistry. 274 (22): 15847–56. doi:10.1074/jbc.274.22.15847. PMID 10336488.
5. García E, García JL, García P, Arrarás A, Sánchez-Puelles JM, López R (1988). "Molecular evolution of lytic enzymes of Streptococcus pneumoniae and its bacteriophages". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 85 (3): 914–8. Bibcode:1988PNAS...85..914G. doi:10.1073/pnas.85.3.914. JSTOR 31364. PMC 279667. PMID 3422470.
6. Loessner MJ, Kramer K, Ebel F, Scherer S (2002). "C-terminal domains of Listeria monocytogenes bacteriophage murein hydrolases determine specific recognition and high-affinity binding to bacterial cell wall carbohydrates". Molecular Microbiology. 44 (2): 335–49. doi:10.1046/j.1365-2958.2002.02889.x. PMID 11972774.
7. García P, García JL, García E, Sánchez-Puelles JM, López R (1990). "Modular organization of the lytic enzymes of Streptococcus pneumoniae and its bacteriophages". Gene. 86 (1): 81–8. doi:10.1016/0378-1119(90)90116-9. PMID 2311937.
8. Wang IN, Smith DL, Young R (2000). "Holins: the protein clocks of bacteriophage infections". Annual Review of Microbiology. 54: 799–825. doi:10.1146/annurev.micro.54.1.799. PMID 11018145.
9. Yoong P, Schuch R, Nelson D, Fischetti VA (2004). "Identification of a broadly active phage lytic enzyme with lethal activity against antibiotic-resistant Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium". Journal of Bacteriology. 186 (14): 4808–12. doi:10.1128/JB.186.14.4808-4812.2004. PMC 438584. PMID 15231813.
10. Plotka M, Kaczorowska AK, Stefanska A, Morzywolek A, Fridjonsson OH, Dunin-Horkawicz S, Kozlowski L, Hreggvidsson GO, Kristjansson JK, Dabrowski S, Bujnicki JM, Kaczorowski T (2014). "Novel highly thermostable endolysin from Thermus scotoductus MAT2119 bacteriophage Ph2119 with amino acid sequence similarity to eukaryotic peptidoglycan recognition proteins". Applied and Environmental Microbiology. 80 (3): 886–95. doi:10.1128/AEM.03074-13. PMC 3911187. PMID 24271162.
11. Briers, Yves; Walmagh, Maarten; Van Puyenbroeck, Victor; Cornelissen, Anneleen; Cenens, William; Aertsen, Abram; Oliveira, Hugo; Azeredo, Joana; Verween, Gunther (1. 1. 2014). "Engineered endolysin-based "Artilysins" to combat multidrug-resistant gram-negative pathogens". mBio. 5 (4): e01379–01314. doi:10.1128/mBio.01379-14. ISSN 2150-7511. PMC 4161244. PMID 24987094.
12. Loeffler JM, Djurkovic S, Fischetti VA (2003). "Phage lytic enzyme Cpl-1 as a novel antimicrobial for pneumococcal bacteremia". Infection and Immunity. 71 (11): 6199–204. doi:10.1128/IAI.71.11.6199-6204.2003. PMC 219578. PMID 14573637.
13. Nelson D, Loomis L, Fischetti VA (2001). "Prevention and elimination of upper respiratory colonization of mice by group A streptococci by using a bacteriophage lytic enzyme". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (7): 4107–12. doi:10.1073/pnas.061038398. PMC 31187. PMID 11259652.

Vanjski linkovi