Туберкулёз — ведущая инфекционная причина смертности в мире, уносящая более миллиона жизней каждый год. Когда в 2012 году был представлен антибиотик бедаквилин, он стал первым новым препаратом от туберкулёза за более чем 40 лет. Бедаквилин быстро стал ключевым лекарством во всех стандартных схемах лечения туберкулёза с лекарственной устойчивостью по всему миру. Однако клинические штаммы Mycobacterium tuberculosis быстро приобретают устойчивость к бедаквилину, преимущественно за счёт гиперэкспрессии MmpL5.
Белки MmpL5 и MmpL4 — это транспортные насосы для выведения, критически важные насосы, которые помогают патогену M. tuberculosis расти, извлекая необходимое железо из гранулем лёгких человека, страдающего от дефицита железа.
Насосы секретируют молекулы микобактина, которые затем прочно связывают внешнее железо. Патоген использует другие молекулярные механизмы для переноса микобактинов и их железных грузов обратно в клетку. К сожалению, гиперэкспрессированный MmpL5 также может выкачивать бедаквилин, что делает бактерии устойчивыми к лекарству.
Нахождение способа отключить насосы для выведения M. tuberculosis с помощью ингибитора нанесло бы двойной удар: восстановило бы чувствительность микробов к бедаквилину и разрушило бы цикл, который собирает дефицитное железо. M. tuberculosis отравляется и теряет вирулентность, когда насосы для выведения микобактина не функционируют.
Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме и Университета Цюриха определили структуру MmpL4, близкого гомолога MmpL5, который выполняет ту же функцию. Они сообщают об этом в журнале Nature Communications в статье под названием «Структурная основа экспорта сидерофора и выведения лекарств Mycobacterium tuberculosis».
«Это исследование стало результатом фантастического сотрудничества с группой Маркуса А. Зигера, доктора философии, из Университета Цюриха, и обеспечивает основу для лучшего молекулярного понимания механизмов приобретения железа и выведения лекарств M. tuberculosis», — сказал Майкл Нидервейс, доктор философии, профессор микробиологии UAB. «Разработка ингибиторов, нацеленных на эту систему секреции, может изменить подход к лечению туберкулёза с множественной лекарственной устойчивостью».
Вирджиния Мейкл, доктор философии, старший научный сотрудник Департамента микробиологии UAB, провела все функциональные анализы этого исследования и является соавтором.
Детали исследования
Структуру очищенного белка MmpL4 определили с помощью криогенной электронной микроскопии. Первая структура с низким разрешением, дополненная стыковкой с AlphaFold2, системой прогнозирования структуры белка с помощью искусственного интеллекта, показала домен, который охватывает внутреннюю мембрану M. tuberculosis и большую часть периплазматических доменов (периплазма — это пространство между внутренней и внешней мембранами многих бактерий).
Однако электронной плотности для необычного домена длиной 130 Å, предсказанного AlphaFold2, обнаружено не было. Когда он был заменён коротким линкером, исследователи смогли определить структуру криоэлектронной микроскопии с разрешением 3,0 Å усечённого MmpL4.
Структура показала 12 трансмембранных спиралей в двух псевдосимметричных пучках и два периплазматических субдомена. Эксперименты показали, что домен в виде спиральной спирали, модель которого простирается от одного из периплазматических субдоменов к внешней мембране, как длинная антенна, был необходим как для MmpL4, так и для MmpL5 для экспорта сидерофора микобактина и устойчивости к бедаквилину.
«Мы определили предсказанный домен в виде спиральной спирали как ключевой для экспорта микобактина и бедаквилина», — сказал Нидервейс. «Насколько нам известно, это первый домен в виде спиральной спирали, описанный как существенная часть мембранного транспортера».
Другая структура криоэлектронного микроскопа MmpL4, связанного с десферрированным микобактином, позволила определить точное место связывания микобактина на цитозольной области MmpL4, непосредственно внутри внутренней мембраны.
Однонуклеотидные мутации вариантов идентифицировали, какие аминокислотные части MmpL4 в сайте связывания необходимы, промежуточные или несущественные для связывания микобактина. Дальнейшая работа показала, что MmpL4 связывает бедаквилин в том же месте, что и микобактин.
Перенос протонов — это энергия, которая приводит в действие насосы для выведения, и однонуклеотидные мутации вариантов предполагаемых остатков, участвующих в переносе протонов в MmpL4 и MmpL5, определили, какие из них необходимы для переноса протонов.
Исследователи также случайно обнаружили, что кофактор биосинтеза микобактерий MbtL образует комплекс с MmpL4, что указывает на то, что синтез и экспорт микобактина связаны.
«Структурные и функциональные идеи, представленные в этом исследовании, обеспечивают основу для рационального проектирования лекарств, которые одновременно блокируют секрецию микобактина и выведение бедаквилина MmpL4 и MmpL5», — сказал Нидервейс. «Это позволит разработать срочно необходимые новые лекарства от туберкулёза, которые используют синергетические эффекты отравления микобактином и повышают восприимчивость M. tuberculosis к бедаквилину».
Предоставлено Университетом Алабамы в Бирмингеме.