CC BY
7
https://doi.org/10.33647/2074-5982-18-3-84-89
(«О
BY 4.0
АНТИМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ НА ОСНОВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ БАКТЕРИАЛЬНЫХ БЕЛКОВ S1 КАК ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАМЕНА АНТИБИОТИКАМ
О.В. Галзитская1,2*, А.В. Мачулин3, Е.И. Дерюшева4, А.В. Глякина1,5, С.Ю. Гришин1, С.Р. Курпе1, А.В. Панфилов1, П.А. Домнин67, С.В. Кравченко8, С.А. Ермолаева6
1ФГБУН «Институт белка» РАН 142290, Российская Федерация, Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 4
2ФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики» РАН 142290, Российская Федерация, Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 3
3ФГБУН «Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина» РАН 142290, Российская Федерация, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5
4ФГБУН Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований РАН» 142290, Российская Федерация, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 3
Институт математических проблем биологии РАН — Филиал ФГБУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН» 142290, Российская Федерация, Московская обл., Пущино, ул. Профессора Виткевича, 1
6ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России 123098, Российская Федерация, Москва, ул. Гамалеи, 18
7ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» 119991, Российская Федерация, Москва, ул. Ленинские горы, 1
8Институт экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO), ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет» 625003, Российская Федерация, Тюмень, ул. Ленина, 25
Предложен оригинальный подход к разработке антимикробных пептидов (АМП) с новым механизмом действия, основанным на направленной коагрегации пептида с белком-мишенью. В качестве белка-мишени выбран уникальный многофункциональный бактериальный рибосомный белок S1. Изучены амилоидогенные и антибактериальные эффекты различных пептидов, синтезированных на основе последовательностей рибосомных белков S1. Полученные результаты могут стать основой для создания новых АМП против различных штаммов патогенных организмов.
Ключевые слова: антимикробные пептиды, рибосомный белок S1, разнообразие штаммов патогенных бактерий
Конфликт интересов: авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование: исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 18-14-00321.
Для цитирования: Галзитская О.В., Мачулин А.В., Дерюшева Е.И., Глякина А.В., Гришин С.Ю., Курпе С.Р., Панфилов А.В., Домнин П.А., Кравченко С.В., Ермолаева С.А. Антимикробные пептиды на основе последовательностей бактериальных белков S1 как потенциальная замена антибиотикам. Биомедицина. 2022;18(3):84-89. https://doi.org/10.33647/2074-5982-18-3-84-89
Поступила 08.04.2022
Принята после доработки 18.04.2022
Опубликована 10.09.2022
О.В. Галзитская, А.В. Мачулин, Е.И. Дерюшева, А.В. Глякина, С.Ю. Гришин, С.Р Курпе, А.В. Панфилов, П.А. Домнин, С.В. Кравченко, С.А. Ермолаева «Антимикробные пептиды на основе последовательностей бактериальных белков S1 как потенциальная замена антибиотикам»
ANTIMICROBIAL PEPTIDES BASED ON BACTERIAL S1 PROTEIN SEQUENCES AS A POTENTIAL ALTERNATIVE TO ANTIBIOTICS
Oxana V. Galzitskaya1,2*, Andrey V. Machulin3, Evgeniya I. Deryusheva4, Anna V. Glyakina1,5, Sergei Yu. Grishin1, Stanislav R. Kurpe1, Alexander V. Panfilov1, Pavel A. Domnin6,7, Sergey V. Kravchenko8, Svetlana A. Ermolaeva6
11nstitute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences 142290, Russian Federation, Moscow Region, Pushchino, Institutskaya Str., 4
institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences 142290, Russian Federation, Moscow Region, Pushchino, Institutskaya Str., 3
3Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms of the Russian Academy of Sciences 142290, Russian Federation, Moscow Region, Pushchino, Nauki Ave., 5
4Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences" 142290, Russian Federation, Moscow Region, Pushchino, Nauki Ave., 3
institute of Mathematical Problems of Biology of the Russian Academy of Sciences — Branch of "Federal Research Center Institute of Applied Mathematics named after M.V. Keldysh of the Russian Academy of Sciences" 142290, Russian Federation, Moscow Region, Pushchino, Professora Vitkevicha Str., 1
6National Research Center of Epidemiology and Microbiology named after Honorary Academician N.F. Gamaleya of the Ministry of Health Care of Russia 123098, Russian Federation, Moscow, Gamalei Str., 18
7Lomonosov Moscow State University 119991, Russian Federation, Moscow, Leninskie Gory Str., 1
8Institute of Environmental and Agricultural Biology (X-BIO), Tyumen State University 625003, Russian Federation, Tyumen, Lenina Str., 25
I An original approach to the development of antimicrobial peptides (AMPs) with a new mechanism of action based on directed coaggregation of a peptide with a target protein is proposed. The unique multifunctional bacterial ribosomal protein S1 was chosen as the target protein. The amyloidogenic and antibacterial effects of various peptides synthesized on the basis of S1 ribosomal protein sequences were studied. The results obtained can serve as a basis for the creation of new AMPs against various strains of pathogenic organisms.
I Keywords: fulvic acid, humic acids, antioxidant properties, anti-inflammatory properties, anti-allergic properties
Conflict of interest: the authors declare no conflict of interest.
Funding: research was funded by the Russian science foundation, Grant No. 18-14-00321.
For citation: Galzitskaya O.V., Machulin A.V., Deryusheva E.I., Glyakina A.V., Grishin S.Yu., Kurpe S.R.,
Panfilov A.V., Domnin P. A., Kravchenko S.V., Ermolaeva S.A. Antimicrobial Peptides Based on Bacterial
S1 Protein Sequences as a Potential Alternative to Antibiotics. JournalBiomed. 2022;18(3):84-89. https://
doi.org/10.33647/2074-5982-18-3-84-89
Submitted 08.04.2022 Revised 18.04.2022 Published 10.09.2022
Резистентность бактерий к антибиотикам является одной из ведущих причин смертности по всему миру. По данным, опубликованным в работе [2], смертность, обусловленная устойчивостью бактерий к антибиотикам, в 2019 г. составила 1,27 млн случаев. Наиболее устойчивыми к воздействию антибиотиков оказались Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Streptococcus pneumoniae, Acineto-bacter baumanni и Pseudomonas aeruginosa. С устойчивыми патогенными микроорганизмами труднее бороться, при этом требу -ются более высокие дозы антимикробных препаратов, которые нередко оказываются более токсичными. Антимикробные пептиды (АМП) являются потенциальной заменой традиционным антибиотикам [13]. Механизм действия АМП часто основан на ингибировании метаболических процессов или нарушении целостности клеточной мембраны [3]. Нами был предложен новый класс антимикробных пептидов с новым механизмом действия, основанным на направленной ко-агрегации [1, 4]. При этом антимикробный эффект достигается через специфическое взаимодействие амилоидогенного пептида и белка-мишени внутри клетки (in vivo), что в результате приводит к нарушению биологической функции белка и гибели микроорганизма. В качестве белка-мишени, с которым должен связываться пептид, был выбран бактериальный рибосомный белок S1. Многофункциональный рибосомный белок S1 является частью 30S субъединицы рибосомы и играет важную роль в инициации трансляции мРНК, участвует в элонгации, а также выполняет ряд внерибосомных функций [5]. В бактериях рибосомный белок S1 содержит от одного до шести структурных повторов в зависимости от филогенетического отдела [10]. При исследовании 1331 последовательности белка S1 нами было выявлено наличие строго ограниченных амилоидогенных участков для каждой
группы S1 белков, содержащих разное количество структурных доменов, что позволило в дальнейшем рассматривать эти участки как уникальные и наиболее актуальные для изучения их склонности к фи-бриллообразованию [6]. В экспериментах in vitro установлено, что синтезированные на основе амилоидогенных участков белка S1 некоторые пептиды способны стимулировать образование фибрилл белка S1. Так, в случае патогенной бактерии P. aeruginosa антибактериальные свойства были обнаружены у пептида R23L, для которого минимальная ингибирующая концентрация (МИК) составляла 8 мкг/мл, что сопоставимо с МИК антибиотика гентамицина. Среди пептидов из S1 Thermus thermophilus наиболее эффективным был пептид R23I (минимальная ингибирующая концентрация около 50 мкг/мл), действие которого было сопоставимо с антибиотиком канамицином [7].
В литературе предполагается, что устойчивость к антибиотикам патогенных микроорганизмов может быть связана с генетическим разнообразием некоторых штаммов бактерий [9, 11, 12]. По этой причине нами было изучено разнообразие рибосомного белка S1 в различных штаммах P. aeruginosa, T. thermophilus, S. aureus, E. coli. Анализ in silico рибосомного белка S1 выявил его высокую консервативность между штаммами микроорганизмов одного вида. Обнаруженные Зштамма T. thermophilus и 6 штаммов P. aeruginosa (версия UniProt 2022_01) характеризуются высокой идентичностью последовательностей рибосом-ного белка S1 и гена rpsa, кодирующего этот белок (98-99%). Для E. coli найдено 54 записи, соответствующие белкам, содержащим 6 структурных доменов (длиной 557 а.о.). Выравнивание белковых и генных последовательностей для записей E. coli, содержащих 6 структурных доменов, также показало их высокую идентичность (99%). Для S. aureus обнаружено 22 записи с различной длиной белка (391-400 а.о.).
О.В. Галзитская, А.В. Мачулин, Е.И. Дерюшева, А.В. Глякина, С.Ю. Гришин, С.Р Курпе, А.В. Панфилов, П.А. Домнин, С.В. Кравченко, С.А. Ермолаева «Антимикробные пептиды на основе последовательностей бактериальных белков S1 как потенциальная замена антибиотикам»
Для белков S1 из S. aureus, содержащих 4 структурных домена S1, множественное выравнивание белковых последовательностей показало, что процент идентичности для некоторых записей составляет 38%, в то время как большинство записей в этой группе имеют высокую идентичность (98-100%). Выравнивание последовательностей генов в этой группе показывает процент идентичности 53% для некоторых записей, для записей с высокой идентичностью белковых последовательностей идентичность генов составляет 99-100%. В этой группе нами была найдена последовательность штамма MRSA252 (UniProt ID: Q6GGT5), у которого остаток 281Asp расположен в положении, соответствующем амилоидогенному участку [9] на месте 281Val у штамма MSSA476 (UniProt ID: Q6G987). Для штамма MRSA252 в после-
довательности белка S1 характерна также замена 370Ser по сравнению со штаммами: штаммом MSSA476, штаммом N315, штаммом MW2 и штаммом Mu50/ATCC700699 (370N). Аминокислота в положении 198 (Asp или His) зависит от штамма.
Устойчивые к метициллину штаммы S. aureus (MRSA) являются наиболее распространённой причиной нозокомиальных инфекций (HA-MRSA) [8]. Кроме того, всё чаще сообщается о случаях множественной лекарственной устойчивости штаммов MRSA, например к пенициллинам. Поскольку S. aureus, наряду с другими патогенными организмами, вызывают широчайший спектр больничных инфекций, полученные нами данные имеют актуальное значение для дальнейших исследований применения новых АМП на основе амило-идогенных участков рибосомного белка S1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ | REFERENCES
1. Курпе С.Р., Гришин С.Ю., Глякина А.В., Слизень М.В., Панфилов А.В., Кочетов А.П., Су-рин А.К., Кобякова М.И., Фадеев Р.С., Галзитская О.В. Антибактериальные эффекты пептидов, синтезированных на основе последовательности рибосомного белка S1. Биомедицинская химия. 2021;67(3):231-243. [Kurpe S.R., Grishin S.Yu., Glyakina A.V., Slizen M.V., Panfilov A.V., Kochetov A.P., Surin A.K., Kobyakova M.I., Fadeev R.S., Galzitskaya O.V. Antibakterial'nye effekty peptidov, sintezirovannykh na osnove posledovatel'nosti ribo-somnogo belka S1 [Antibacterial effects of peptides synthesized based on the sequence of the S1 ribosomal protein]. Biomedical Chemistry. 2021;67(3):231-243. (In Russian)]. DOI: 10.18097/PBMC20216703231.
2. Antimicrobial Resistance Collaborators. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: A systematic analysis. Lancet. 2022;399(10325):629-655. DOI: 10.1016/S0140-6736(21)02724-0.
3. Brogden K. Antimicrobial peptides: pore formers or metabolic inhibitors in bacteria? Nat. Rev. Micro. 2005;3(3):238-250. DOI: 10.1038/nrmicro1098.
4. Galzitskaya O. Exploring amyloidogenicity of peptides from ribosomal S1 protein to develop novel AMPs. Front Mol. Biosci. 2021;8:705069. DOI: 10.3389/ fmolb.2021.705069.
5. Ghanizadeh A., Najafizade M., Rashki S., Marzhosey-ni Z., Motallebi M. Genetic diversity, antimicrobial
resistance pattern, and biofilm formation in Klebsiella pneumoniae isolated from patients with Coronavirus disease 2019 (COVID-19) and ventilator-associated pneumonia. Biomed. Res. Int. 2021;24:2347872. DOI: 10.1155/2021/2347872.
6. Grishin S., Deryusheva E.I., Machulin A.V., Seliva-nova O.M., Glyakina A.V., Gorbunova E.Y., Musta-eva L.G., Azev V.N., Rekstina V.V., Kalebina T.S., Surin A.K., Galzitskaya O.V. Amyloidogenic propensities of ribosomal S1 proteins: Bioinformatics screening and experimental checking. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(15):5199. DOI: 10.3390/ijms21155199.
7. Grishin S., Dzhus U.F., Glukhov A.S., Selivanova O.M., Surin A.K., Galzitskaya O.V. Identification of amy-loidogenic regions in Pseudomonas aeruginosa ribo-somal S1 protein. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(14):7291. DOI: 10.3390/ijms22147291.
8. Kourtis A.P., Hatfield K., Baggs J., Mu Y., See I., Epson E., Nadle J., Kainer M.A., Dumyati G., Petit S., Ray S.M.; Emerging Infections Program MRSA author group, Ham D., Capers C., Ewing H., Coffin N., McDonald L.C., Jernigan J., Cardo D. Vital signs: Epidemiology and recent trends in methicillin-resis-tant and in methicillin-susceptible Staphylococcus Aureus bloodstream infections. MMWR Morb. Mortal. Wkly. Rep. 2019;68:214-219. DOI: 10.15585/mmwr. mm6809e1.
9. Kravchenko S., Domnin P.A., Grishin S.Y., Pan-filov A.V., Azev V.N., Mustaeva L.G., Gorbuno-va E.Y., Kobyakova M.I., Surin A.K., Glyakina A.V., Fadeev R.S., Ermolaeva S.A., Galzitskaya O.V. Multiple antimicrobial effects of hybrid peptides synthesized based on the sequence of ribosomal S1 protein from Staphylococcus aureus. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(1):524. DOI: 10.3390/ijms23010524.
10. Machulin A., Deryusheva E.I., Selivanova O.M., Galzitskaya O.V. The number of domains in the ri-bosomal protein S1 as a hallmark of the phylogenetic grouping of bacteria. PLoS One. 2019;14(8):e0221370. DOI: 10.1371/journal.pone.0221370.
11. Marazzato M., Scribano D., Sarshar M., Brunetti F., Fillo S., Fortunato A., Lista F., Palamara A.T., Zaga-
glia C., Ambrosi C. Genetic diversity of antimicrobial resistance and key virulence features in two extensively drug-resistant Acinetobacter baumannii isolates. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022;19(5):2870. DOI: 10.3390/ijerph19052870.
12. Mbhele Z., Shobo C.O., Amoako D.G., Zishiri O.T., Bester L.A. Occurrence, antibiotic resistance, virulence factors, and genetic diversity of Bacillus spp. from public hospital environments in South Africa. Microb. Drug Resist. 2021;27(12):1692-1704. DOI: 10.1089/mdr.2020.0543.
13. Sierra J., Viñas M. Future prospects for antimicrobial peptide development: Peptidomimetics and antimicrobial combinations. Expert Opin. Drug Discov. 2021;16(6): 601-604. DOI: 10.1080/17460441.2021.1892072.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ | INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Галзитская Оксана Валериановна*, д.ф.-м.н., ФГБУН «Институт белка» Российской академии наук; ФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики» РАН; e-mail: [email protected]
Мачулин Андрей Валериевич, к.б.н., ФГБУН «Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина» РАН; e-mail: [email protected]
Дерюшева Евгения Игоревна, к.ф.-м.н., ФГБУН «Федеральный исследовательский центр «Пу-щинский научный центр биологических исследований РАН»;
e-mail: [email protected]
Глякина Анна Владимировна, к.ф.-м.н., ФГБУН «Институт белка» РАН, Институт математических проблем биологии РАН — Филиал ФГБУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН»;
e-mail: [email protected]
Гришин Сергей Юрьевич, ФГБУН «Институт белка» РАН;
e-mail: [email protected]
Oxana V. Galzitskaya*, Dr. Sci. (Phys.-Math), Institute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences;
e-mail: [email protected]
Andrey V. Machulin, Cand. Sci. (Biol.), Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms of the Russian Academy of Sciences; e-mail: [email protected]
Evgeniya I Deryusheva, Cand. Sci. (Phys.-Math), Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences";
e-mail: [email protected]
Anna V. Glyakina, Cand. Sci. (Phys.-Math), Institute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences; Institute of Mathematical Pro-blems of Biology of the Russian Academy of Sciences — Branch of "Federal Research Center Institute of Applied Mathematics named after M.V. Keldysh of the Russian Academy of Sciences"; e-mail: [email protected]
Sergei Yu. Grishin, Institute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences; e-mail: [email protected]
О.В. Галзитская, А.В. Мачулин, Е.И. Дерюшева, А.В. Глякина, С.Ю. Гришин, С.Р Курпе, А.В. Панфилов, П.А. Домнин, С.В. Кравченко, С.А. Ермолаева «Антимикробные пептиды на основе последовательностей бактериальных белков S1 как потенциальная замена антибиотикам»
Курпе Станислав Римасо, ФГБУН «Институт белка» PAH;
e-mail: [email protected]
Stanislav R. Kurpe, Institute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences; e-mail: [email protected]
Панфилов Александр Викторович, ФГБУН
«Институт белка» PAH;
e-mail: [email protected]
Alexander V. Panfilov, Institute of Protein Research of the Russian Academy of Sciences; e-mail: [email protected]
Домнин Павел Александрович, ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России; ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»; e-mail: [email protected]
Pavel A. Domnin, National Research Center of Epidemiology and Microbiology named after Honorary Academician N.F. Gamaleya of the Ministry of Health Care of Russia; Lomonosov Moscow State University;
e-mail: [email protected]
Кравченко Сергей Викторович, Институт экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO), ФГАОУ ВО «Тюменский государственный университет»; e-mail: [email protected]
Sergey V. Kravchenko, Institute of Environmental and Agricultural Biology (X-BIO), Tyumen State University;
e-mail: [email protected]
Ермолаева Светлана Александровна, д.б.н., ФГБУ «Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России;
e-mail: [email protected]
Svetlana A. Ermolaeva, Dr. Sci. (Biol.), National Research Center of Epidemiology and Microbiology named after Honorary Academician N.F. Gamaleya of the Ministry of Health Care of Russia; e-mail: [email protected]
* Aвтор, ответственный за переписку / Corresponding author
