Авторы: Abdul Latif Jameel Poverty Action Lab (J-PAL), Picower Institute for Learning and Memory, School of Humanities, Arts, and Social Sciences, MIT Schwarzman College of Computing

Новое понимание того, как ферменты влияют на синтез белков у бактерий

Антимикробная резистентность — одна из самых острых глобальных проблем здравоохранения и развития нашего времени. Бактерии и другие патогены быстро вырабатывают устойчивость к существующим методам лечения, что делает инфекции всё труднее поддающимися лечению. Без новых подходов сегодняшние незначительные неудобства, такие как рутинные операции или даже порез от бумаги, завтра могут стать опасными для жизни.

Международная группа учёных сообщила об обнаружении аминовалерамидинсинтетазы (AvaS) — первого выявленного PLP-зависимого фермента, ответственного за образование химической модификации, связанной с тем, как бактерии реагируют на метаболический стресс. Это открытие проливает новый свет на то, как бактерии используют модификацию РНК для контроля синтеза белков, открывая новые направления для изучения адаптации бактерий и выявления потенциальных мишеней и стратегий для разработки антимикробных препаратов.

Работа была проведена исследователями междисциплинарной исследовательской группы по антимикробной резистентности Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART AMR) при сотрудничестве с учёными из MIT, Nanyang Technological University в Сингапуре и институтов в США, Польше и Франции.

«Хотя многие модификации РНК известны уже десятилетиями, исследователи всё ещё раскрывают весь спектр их ролей. Открытие AvaS открывает ранее неизвестную главу в биологии РНК и является важным шагом вперёд в нашем понимании процессов, релевантных антимикробной резистентности», — говорит профессор Питер Дедон, со-главный руководитель проекта в SMART AMR, профессор биологической инженерии в MIT и соавтор новой статьи. «По мере того как мы продолжаем картировать ландшафт модификаций РНК, мы ожидаем ещё многих открытий с важными последствиями для инфекционных заболеваний, антимикробной резистентности и фундаментальной биологии».

Бактерии могут вырабатывать устойчивость к антибиотикам различными способами, многие из которых зависят от способности бактерий регулировать, какие белки синтезируются, когда они синтезируются и с какой точностью — например, выкачивание лекарств из клетки, создание ферментов, разрушающих препараты, или развитие новых клеточных процессов, позволяющих избегать мишеней антибиотиков.

Для синтеза этих белков бактерии полагаются на РНК, которая считывает генетические инструкции и направляет производство белков. Среди этих РНК находятся транспортные РНК (tRNA), специализированный класс РНК, действующий как молекулярные «курьеры», принося химические «наклейки», которые помогают бактериям контролировать синтез белков в ответ на стресс и изменяющиеся условия, такие как воздействие антибиотиков.

В открытом доступе статье «Pyridoxal phosphate-dependent biosynthesis of aminovaleramide by AvaS in tRNA», опубликованной 9 сентября в Nature Chemical Biology, исследователи описали своё открытие нового фермента и идентифицировали его как ответственного за образование химической модификации tRNA, известной как аминовалерамидиновый цитидин (ava2C), у Pseudomonas aeruginosa — патогенной бактерии, вызывающей ряд тяжёлых инфекций у людей, таких как пневмония и сепсис. Хотя ava2C ранее обнаруживался в нескольких бактериях и растениях, фермент, ответственный за его образование, до сих пор оставался неизвестным.

Используя платформу SMART AMR для масштабного профилирования модификаций РНК на основе жидкостной хроматографии-тандемной масс-спектрометрии (LC-MS/MS), команда систематически просеяла тысячи мутантов P. aeruginosa и обнаружила AvaS. Исследователи также подтвердили присутствие ava2C в других организмах, включая бактерии Acinetobacter baumannii и Vibrio cholerae, а также растение Arabidopsis thaliana.

Исследование показало, что AvaS использует PLP — производное витамина B6 — для превращения известной модификации, лизидина (k2C), в ava2C; это первый случай, когда PLP-зависимый фермент был связан с модификацией tRNA. Традиционно PLP-зависимые ферменты ассоциировались только с метаболизмом аминокислот и родственными биохимическими путями.

Результаты исследования раскрыли несколько важных моментов о PLP-зависимых ферментах. Во-первых, открытие устанавливает PLP-зависимые ферменты как ранее нераспознанный класс ферментов, модифицирующих tRNA, расширяя известные химические механизмы, такие как метилирование, тиолирование и изомеризация, которые бактерии используют для регуляции синтеза белков. Во-вторых, это демонстрирует совершенно новую биологическую функцию PLP-зависимых ферментов, показывая, что они могут непосредственно модифицировать tRNA помимо их хорошо известных ролей в метаболических процессах.

Исследование также показало, что ava2C меняет способ считывания генетического кода бактериями, позволяя им синтезировать белок быстрее и эффективнее, а также помогая адаптироваться к метаболическому и оксидативному стрессу.

«Наше открытие впервые показало, что PLP-зависимые ферменты могут напрямую модифицировать tRNA, расширяя наши знания и понимание химии модификации РНК», — говорит Цзинцзин Сунь, научный сотрудник SMART AMR, первый автор и соответствующий автор статьи. «Это открывает новые направления для изучения адаптации бактерий и разработки новых и более эффективных стратегий преодоления лекарственно-устойчивых бактерий».

Опираясь на это открытие, команда SMART AMR планирует исследовать, как ava2C влияет на стрессовые ответы и метаболизм бактерий, а также изучить способы нарушения или предотвращения этой модификации. Понимание этого процесса может раскрыть новые способы борьбы с патогенными бактериями и разработки будущих антимикробных средств. Поскольку ava2C также наблюдается у растений, будущие исследования могут выяснить, используют ли другие живые организмы подобные биологические инструменты для образования определённых химических модификаций и как ava2C влияет на сборку белков за пределами бактерий.

В более широком смысле эта работа подчёркивает мощь уникальной платформы эпитранскриптомики SMART AMR как эффективного инструмента для обнаружения неизвестных ферментов, модифицирующих РНК, в масштабах. Эта возможность также может помочь исследователям в биотехнологии и фармацевтике в поиске новых лекарственных мишеней и разработке лучших методов лечения, особенно на фоне продолжающегося роста устойчивости бактерий к существующим препаратам.

Исследования, проводимые в SMART, поддерживаются Национальным фондом исследований Сингапура в рамках программы Campus for Research Excellence and Technological Enterprise.

SMART Antimicrobial Resistance research group

Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART)

Department of Biological Engineering

Как бактерии подавляют иммунную защиту при хронических раневых инфекциях

Недавно обнаруженная система коммуникации бактерий способствует антимикробной резистентности

Новая комбинированная терапия для лечения инфекций, устойчивых к ванкомицину

Обеспечение «кристально чистого» обзораmaterials на основе ИИ

Формирование сообщества в среде инноваций Кендалл-сквер

Сьюзи Нельсон изменила студенческую жизнь в MIT

Студенческие лидеры MIT: интервью с президентом Association of Student Activities Ханой Соузой

Отчёт о состоянии устойчивости цепочек поставок: приверженность корпораций на рекордно высоком уровне, но управление отстает

Модель ИИ расшифровывает язык, на котором клетки общаются

Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, USA