Роль генов пентозофосфатного пути в потенцировании действия антибиотиков

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-14-00089

НазваниеРоль генов пентозофосфатного пути в потенцировании действия антибиотиков

Руководитель Миронов Александр Сергеевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-208 - Молекулярная биология

Ключевые слова Гены синтеза пентозофосфатов, редокс баланс клетки, чувствительность к антибиотикам, рибозо-5-фосфат, путь Энтнера-Дудорова, E. coli, рибо- и дезоксирибонуклеотиды, системы глобальной регуляции SoxS, MarA.

Код ГРНТИ34.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Зависимость эффективности действия антибиотиков от состояния метаболизма бактерий была отмечена многими исследователями, однако сформулирована и подтверждена экспериментально была работами Д. Коллинза и сотрудников, показавших, что бактерицидный эффект антибиотиков зависит от интенсивности биосинтетических процессов, процессов дыхания и редокс статуса [1]. В условиях окислительного стресса метаболическим редокс сенсором и регулятором является катаболический пентозофосфатный путь (ПФП), координирующий посредством SoxRS-системы биосинтез пентоз и NADPH эквивалентов, необходимых для анаболических процессов [2]. Согласно общепринятому мнению, за эти функции отвечает окислительная ветвь ПФП, тогда как неокислительная ветвь служит для возврата в гликолиз избытка пентозофосфатов в виде фруктозо-6Р и глицеральдегид-3Р. Из литературных данных известно, что инактивация генов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (zwf) и трансальдолазы (talAB) повышает чувствительность дрожжей S. cerevisiae к различным окислителям [3], кроме того мутации в трансальдолазе и рибозо-5-фосфатизомеразе, приводящие к нарушению их функций лежат в основе патогенеза онкологических и нейродегенеративных заболеваний человека [4]. Таким образом, ПФП является критически значимым метаболическим узлом в поддержании стрессоустойчивости и жизнеспособности клеток и может быть рассмотрен как точка приложения для создания антибиотиков нового поколения. Следует отметить, что несмотря на хорошую изученность ферментов ПФП, по-прежнему не ясны механизмы координации работы окислительной и неокислительной ветвей в зависимости от интенсивности анаболических процессов синтеза рибо- и дезоксирибонуклеотидов, компонентов ЛПС клеточной стенки и других метаболитов, предшественниками которых выступают интермедиаты ПФП. Целью настоящего проекта является выявление роли глюкозозависимого катаболического (окислительная ветвь ПФП) и фруктозозависимого анаболического (неокислительная ветвь ПФП) путей синтеза пентозофосфатов в поддержании редокс-статуса клетки и ее чувствительности к антибактериальным препаратам на модели бактерий E. coli. Важным прикладным аспектом настоящего проекта является поиск ферментов-мишеней центрального метаболизма бактерий, воздействие на которые позволит решить проблему множественной лекарственной устойчивости клинически значимых патогенов и минимизировать риски возникновения адаптивных мутаций. Будут определены гены ПФП, обладающие высоким терапевтическим потенциалом для создания адъювантов, потенцирующих действие антибиотиков. 1. Dwyer, D.J.; Collins, J.J.; Walker, G.C. Unraveling the Physiological Complexities of Antibiotic Lethality. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. (2015) 55:313–332, doi:10.1146/annurev-pharmtox-010814-124712. 2. Krüger, A. et al. The Pentose Phosphate Pathway Is a Metabolic Redox Sensor and Regulates Transcription During the Antioxidant Response. Antioxidants & Redox Signaling (2011) 15:311–324, doi:10.1089/ars.2010.3797. 3. Clasquin, M.F. et al. Riboneogenesis in Yeast. Cell (2011) 145:969–980, doi:10.1016/j.cell.2011.05.022. 4. Hanczko R. et al. Prevention of hepatocarcinogenesis and increased susceptibility to acetaminophen-induced liver failure in transaldolase-deficient mice by N-acetylcysteine. J Clin Invest. (2009) 19:1546-57. doi: 10.1172/JCI35722. Epub 2009 May 11. PMID: 19436114; PMCID: PMC2689120.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Продемонстрировано, что в клетках Escherichia coli основными ферментами, участвующими в взаимопревращении пентоз, являются рибозо-5-фосфатизомеразы RpiA и RpiB и рибулозо-5-фосфатэпимераза Rpe. Инактивация rpiAB ограничивает синтез рибозо-5-фосфата (R5P) через окислительную ветвь пентозофосфатного пути (PPP) и неожиданно приводит к сверхчувствительности бактерий к антибиотикам. Этот тип метаболизма сопровождается значительными изменениями уровня восстановительных эквивалентов НАДФН и глутатиона, а также резким падением пула АТФ. Однако этот окислительно-восстановительный и энергетический дисбаланс не приводит к активации системы защиты от окислительного стресса soxRS, и вызывает лишь небольшое повышение чувствительности к окислителям параквату и H2O2. Инактивация rpiAB приводит к значительному повышению активности транскеталазы (Tkt), ключевого фермента неокислительной ветви PPP и повышению чувствительности к рибозе, добавленной в питательную среду. Фенотип сверхчувствительности rpiAB к антибиотикам и рибозе можно супрессировать, активируя использование седогептулозо-7-фосфата, который происходит из R5P, для синтеза ЛПС или ограничения катаболизма нуклеозидов путем инактивации фермента DeoB, ответственного за превращение рибозо-1-фосфата в R5P. Наши результаты показывают, что индукция однонаправленного синтеза R5P является причиной сверхчувствительности к антибиотикам у мутанта rpiAB. Подводя итог, можно заключить, что функциональное состояние рибозо-5-фосфатизомеразы определяет направление синтеза рибозы в клетках E. coli и играет исключительную важную роль в потенцировании действия различных антибактериальных агентов. Механизм этой чувствительности, а также возможное прямое токсическое действие избытка R5P на клетки требуют дальнейшего изучения. Синтез ПФ, как один из основных метаболических процессов, имеет большой потенциал для создания новых антибактериальных препаратов или адъювантов к антибиотикам предыдущего поколения, а также различных терапевтических агентов для лечения онкологических заболеваний.

Публикации

1. Серегина Т.А., Шакулов Р.С., Шаталин К.С., Склярова С.А., Петрушанко И.Ю., Митькевич В.А., Макаров А.А., Миронов А.С., Нудлер Е.А. Pentose Phosphate Pathway Protects E. coli from Antibiotic Lethality mBio (год публикации - 2024)
10.1101/2024.09.07.611820

2. Серегина Т.А., Шакулов Р.С., Склярова С.А., Миронов А.С. Disruptions of rpiAB Genes Encoding Ribose-5-Phosphate Isomerases in E. coli Increases Sensitivity of Bacteria to Antibiotics Cells, 13, 22, 1915 (год публикации - 2024)
10.3390/cells13221915