Biotin biosintesis Mycobacterium tuberkulosis: fisiologi, biokimia danmolekul intervensi

Wanisa Salaemae, Al Azhar, Grant W. Booker, Steven W. PolyakSekolah molekuler dan biomedis Sciences, University of Adelaide, Australia Selatan 5005, Australia Korespondensi: steven.polyak@adelaide.edu.au

Biotin adalah mikronutrien penting yang berfungsi sebagai kofaktor penting enzim. Bakteri mendapatkan biotin baik melalui de novo sintesis atau oleh penyerapan aktif dari sumber eksogen. Mikobakteri tidak biasa di antara bakteri dalam bahwa sumber utama biotin adalah melalui de novo sintesis. Di sini kami meninjau pentingnya biotin biosintesis siklus hidup mikobakteri. Layar genetik yang dirancang untuk mengidentifikasi kunci metabolik proses telah menyoroti peran biotin biosintesis pertumbuhan Basil, infeksi, dan kelangsungan hidup selama fase latency. Penelitian ini membantu untuk membangun jalur biosynthetic biotin sebagai obat potensial target bagi agen anti TB baru.

KEBUTUHAN KLINIS OBAT ANTI-TB BARUTuberkulosis (TB) adalah salah satu penyebab paling umum kematian manusia di dunia. Kenaikan terus-menerus nomor TB pasien menyoroti kebutuhan kritis baru pendekatan untuk mengobati penyakit menular yang penting ini. Itu Diperkirakan bahwa sekarang ada 9,8 juta kasus baru TB setiap tahun, lebih dari pada waktu lainnya dalam sejarah (pewarna dan Williams, 2010). Ketidakmampuan kita saat ini untuk mengendalikan penyakit menular berasal dari hilangnya khasiat vaksin dan antibiotik obat-obatan yang pernah efektif di klinik. Penggantian tua agen dengan obat-obatan baru yang diperlukan untuk mengobati resisten obat strain telah terhambat oleh berkurang investasi dalam penemuan obat antibiotik dan kurangnya politik keinginan untuk memberikan terapi untuk mereka yang membutuhkan paling (Koul et al.,2011; Rumput dan Zumla, 2011). Siklus hidup kompleks Tuberkulosis Mycobacterium, Basil patogen bertanggung jawab untuk TB, juga memberikan kontribusi untuk bakteri yang luar biasa kemampuan untuk menghindari terapi antibiotik (Russell et al., 2010). M. TBC ada di kedua negara yang aktif dan laten. Sebagian antibiotik efektif terhadap tumbuh aktif Mycobacterium karena mereka menargetkan proses metabolisme yang diperlukan untuk tahap progresif utama infeksi (Baek et al., 2011; Koul et al., 2011). Sebaliknya, Basil aktif lebih sulit untuk memperlakukan seperti mereka telah berevolusi mekanisme yang kompleks yang membantu mereka untuk menghindari antibiotik dan kekebalan tubuh pasien sistem (Joshi et al., 2006; Ahmad, 2011). Oleh karena itu, bakteri dapat mengaktifkan kembali setelah pengobatan antibiotik telah berhenti atau sistem kekebalan tubuh telah dikompromikan, misalnya oleh coinfection dengan human immunodeficiency virus HIV (Kwan dan Ernst, 2011; Rumput dan Zumla, 2011). Salah satu strategi novel untuk mengobati TB adalah suatu obat menargetkan metabolik penting pada tahap kedua aktif dan laten dari M. TBC. Jalur biosintesis biotin adalah berpotensi contoh jalur tersebut. Di sini kami meninjau penelitian terbaru ke jalur metabolik ini dengan maksud untuk mendirikan nya gangguan sebagai strategi untuk penemuan obat antibiotik.

BIOTIN ADALAH KOFAKTOR ENZIMBiotin (alias vitamin H atau B7) adalah kofaktor penting untuk duapenting biotin-dependent enzim dalam M. TBC, yaitu carboxylase piruvat (PC) dan Asil-CoA carboxylase (ACC). Biotin ini diperlukan untuk transfer carboxyl anion ke substrat asam organik khusus. Piruvat carboxylase memainkan peran anapleurotic dalam pusat karbon metabolisme dalam banyak spesies bakteri dengan pengisian TCA siklus dengan oxaloacetate (Eisenreich et al., 2010). The peran carboxylase piruvat belum secara luas diselidiki di Mycobacterium dibandingkan dengan bakteri lainnya, terutama karena kesulitan teknis yang terkait dengan belajar jalur metabolik patogen intraseluler. Pekerjaan lebih lanjut diperlukan untuk mengatasi kekurangan kami dalam pemahaman di daerah ini. Secara khusus, mekanisme yang memungkinkan bakteri untuk bertahan dan beradaptasi dengan ceruk microenvironments di dalam host sel akan perlu digambarkan (Eisenreich et al., 2010). Sebaliknya, ACC telah subjek fokus penelitian yang lebih baik terutama karena potensi sebagai target obat antibiotik (Wright dan Reynolds, 2007; Chan dan Vogel, 2010; Parsons dan Rock, 2011). ACC catalyses carboxylation berbagai Asil CoA substrat, seperti asetil CoA, propionyl CoA dan butyryl CoA (Arabolaza et al., 2010; Gago et al., 2011). Produk-produk reaksi-reaksi ini feed ke dalam asam lemak sintesis dan polyketide sintesis jalur, mengakibatkan produksi asam mycolic dan bercabang multimethyl asam lemak hadir dalam amplop sel (Takayama et al, 2005; Gago et al., 2011). Jalur ini terutama penting dalam Mycobacterium sp., sebagai sel amplop berisi kompleks lipid bi-lapis yang terdiri terutama dari asam mycolic. Diperkirakan bahwa 10% dari genom Mtb ditujukan untuk biosintesis asam lemak (Minnikin et al., 2002). Membran sel sangat meningkatkan kemampuan bakteri untuk melawan kerusakan kimia, bertahan di lingkungan yang bermusuhan, dan batas yang kerentanan terhadap banyak antibiotik (Niederweis et al., 2010). Oleh karena itu, metabolik enzim yang bertanggung jawab untuk sintesis membran lipid mewakili menjanjikan target untuk pengembangan antimycobacterial baru obat-obatan. Klinis validasi untuk pendekatan ini disediakan oleh isoniazid obat anti-TB bahwa asam lemak target biosintesis (Lu dan Tonge, 2008). Yang penting metabolik fungsi PC dan ACC kritis tergantung pada ketersediaan biotin sebagai koenzim.

BIOTIN JALUR BIOSYNTHETICBanyak mikro-organisme, tumbuhan dan jamur dapat mensintesis biotin de novo (Cronan dan Lin, 2011). Sebaliknya, adalah mamalia biotin auxotrophs yang mendapat mikronutrien dari usus flora mikro, makanan sumber dan daur ulang (Said, 2009). The tidak adanya lintasan metabolisme analog di Mamalia membuat biotin biosintesis prospek menarik untuk antibiotikpenemuan. Empat langkah akhir di jalur dilestarikan antara organisme yang memproduksi biotin. Universal jalur biosynthetic, ditunjukkan dalam gambar 1, mengkonversi pimeloylthioester untuk biotin melalui aktivitas enzim empat, yaitu 7-keto-8-aminopelargonic asam sintase (KAPAS, dikodekan oleh bioF), 7,8-diaminopelargonic asam sintase (DAPAS, dikodekan oleh bioA), dethiobiotin sintetase (DTBS, dikodekan oleh bioD), dan biotin sintase (BS, dikodekan oleh bioB) (ditinjau (Cronan dan Lin, 2011)). Secara singkat, KAPAS mengkonversi yang tidak pimelate untuk 7-keto-8-aminopelargonic asam (KAPA) menggunakan L-alanin sebagai amino donor. KAPA adalah kemudian dikonversi ke 7, 8-diaminopelargonic asam (DAPA) oleh aktivitas DAPAS memerlukan S-adenosylmethionine (SAM) sebagai donor amino. Berikutnya, konversi DAPA ke dethiobiotin (DTB) dikatalisis oleh DTBS yang memerlukan CO2 dan ATP untuk menutup cincin ureido. Akhirnya, belerang cincin biotin ditutup dengan biotin sintase memerlukan satu atom belerang dan dua elektron ditransfer dari flavodoxin, SAM dan Nicotinamide adenin dinukleotida fosfat (NADPH) (Berkovitch et al., 2004). Sebagaimana akan dibahas di bawah ini, genetik studi yang mengganggu bioF, A, D dan B membantu dalam membangun biotin biosintesis jalur sebagai target untuk pengembangan agen anti-TB baru. Sementara empat langkah akhir sangat dilestarikan, prekursor yang disisipkan kedalam jalur ini dapat diperoleh melalui berbeda berarti. Wawasan baru ke dalam mekanisme yang digunakan oleh model bakteri Escherichia coli telah datang kepada terang, dan memiliki telah meninjau baru-baru ini (Cronan dan Lin, 2011). Secara singkat, 3- Jaringan karbon hadir dalam malonyl CoA diperpanjang oleh empat unit-unit tambahan karbon oleh jalan biosynthetic asam lemak (Fig.1). BioC methyltransferase diperlukan untuk bergerak biotin pendahulu ke jalur sintesis asam lemak, Sedangkan esterase BioH memfasilitasi melarikan diri dari pimeloylthioester Jadi BioF dapat menggunakannya sebagai substrat di dilestarikan jalur (Lin et al., 2010). Identifikasi BioC dan BioH menunjukkan homolog di tersedia mikobakteri genom itu jalur ini juga digunakan oleh spesies ini (Yu et al.,2011). Sebuah studi terbaru menyoroti pentingnya biotin pendahulu jalur di mikobakteri. Penghapusan Rv1882c, rantai pendek yang diduga dehyrodogenase dalam asam lemak jalur biosintesis, menghasilkan M. TBC galur dengan pertumbuhan diinaktivasi agar darah dan makrofag tumore in vitro. Melengkapi media pertumbuhan dengan konsentrasi tinggi biotin (mengatakan 1 mol/L) dipulihkan pertumbuhan harga. Tidak seperti wildtype Mycobacterium marinum, penghapusan Rv1882c galur mutan juga gagal untuk menjajah hati zebrafish dan benar-benar dihapus dari posting dua minggu ikan infeksi (Yu et al., 2011). Data ini menunjukkan bahwa pasokan intraseluler biotin tidak mencukupi untuk Mycobacterium kelangsungan hidup, dan bakteri yang kritis tergantung pada de Novo sintesis.

BIOTIN BIOSINTESIS DIPERLUKAN INFEKSI DAN LATENSIKajian genetik telah memainkan peran penting dalam membangun pentingnya sintesis biotin dalam Mycobacterium di berbagai tahapan dari siklus kehidupan. Akses ke seluruh genom, mutagenesis Perpustakaan mutagenik mikobakteri telah memfasilitasi fenotipik skrining untuk mengidentifikasi kunci metabolik diperlukan di bawah berbagai kondisi (Sassetti et al., 2001, 2003). Misalnya gangguan bioA dilemahkan pertumbuhan dari M. smegmatis pada media habis karbon, meniru gizi dirampas negara yang dialami oleh stasioner fase bakteri selama latensi (Keer et al., 2000). Sebagai kemampuan Mikobakteri tumbuh dalam makrofag berkaitan dengan virulensi dan pathogenicity (Russell, 2001), manipulasi kondisi pertumbuhan secara in vitro juga bisa meniru kondisi berpengalaman di vivo. Model makrofag dirangsang bebas awal dan laten infeksi, sedangkan makrofag dirangsang dengan interferon gamma meniru kekebalan berlangsung respon (Rengarajan et al, 2005). mutan bioF dan bioB telah diidentifikasi dalam layar genetik menyelidiki gen diperlukan untuk berkepanjangan infeksi primer tumore makrofag (Rengarajan et al, 2005). Galur mutan keduamenunjukkan pertumbuhan diinaktivasi un dirangsang dan dirangsang makrofag, menunjukkan peran kritis untuk de novo biotin sintesis selama dan posting infeksi.Biotin biosintesis mikobakteri juga diselidiki dalam model tikus penyakit menular. Genomewide layar genetik yang dilakukan pada tikus, dirancang untuk mengisolasi M. TBC gen yang diperlukan untuk virulensi di vivo, diidentifikasi bioF, A dan B (Sassetti dan Rubin, 2003). Mutan ini strain menunjukkan secara dramatis mengurangi pertumbuhan harga model tumore infeksi. Terutama penting adalah bioF. An penghapusan dalam rangka bioF di M. TBC mengakibatkan cepat Clearance galur mutan pada tahap awal infeksi, dan menunjukkan kelangsungan hidup miskin dalam paru-paru mouse dan limpa (Sassetti dan Rubin, 2003). Menariknya, urutan genom dari M. TBC berisi dua gen bioF (bioF1, Rv1569 dan bioF2, Rv0032). Namun, hanya bioF1 diidentifikasi di salah di atas layar, menyarankan ada redudansi sama sekali antara dua alel. Hal ini didukung oleh gen target babak studi yang menunjukkan penghapusan bioF1 memiliki bacteriocidal fenotipe kecuali tumbuh in vitro pada media yang dilengkapi dengan konsentrasi tinggi biotin (Dey et al., 2010).

Gambar 1. Diduga biotin biosintesis jalur di M. TBC. Lintasan metabolisme yang dilestarikan (kotak) dan sintesis dari prekursor untuk jalur ini, yang akan ditampilkan. Zat antara dalam jalur biosintesis biotin diwakili, dengan modifikasi dibuat untuk struktur kimia selama katalis yang disorot dalam warna merah. Jalur ini diajukan untuk eksis di M. TBC karena kehadiran homolog BioC dan BioH di Basil 's genom yang memainkan peran kunci dalam jalur yang ditentukan untuk E. coli (Lin et al., 2010). BioF dapat menerima pimeloyl-CoA atau pimeloyl-ACP sebagai substrat. Gambar yang diadaptasi dari (Seki, 2006; Mann et al., 2009) dan (Lin et al., 2010). Hak cipta 2006,2009 Wiley berkala, Inc (withpermission).

BIOTIN TRANSPORTER PROTEINBerdasarkan penelitian diatas, literatur kuat menunjukkan mikobakteri bahwa sumber utama biotin adalah melalui de novo biosintesis. Dengan kata lain, Basil melakukan tidak dimiliki biotin sistem transportasi untuk mengais biotin dari sumber-sumber eksogen. Banyak bakteri lainnya memiliki kemampuan ini dengan memanfaatkan biotin transportasi protein. Contoh paling ditandai adalah BioY (Rodionov et al., 2009). Transporter ini bekerja dengan energi sistem penggan dengan untuk aktif bergerak biotin melintasi bakteri membran sel dalam cara yang bergantung pada ATP (Hebbeln et al.,2007; Rodionov et al., 2009). Genom anotasi studitelah gagal untuk mengidentifikasi homolog gen bioY dalam M. TBC genom (Rodionov et al., 2002; Hebbeln et al., 2007). Mendukung pengamatan bahwa mikobakteri memerlukan de novo biotin sintesis adalah laporan yang kimia inhibisi enzim biosynthetic biotin juga menghambat pertumbuhan mikobakteri secara in vitro. Ini yang telah diselidiki menggunakan dua senyawa alami yang diisolasi dari budaya Filtrat dari Streptomyces spesies, yaitu amiclenomycin dan actithiazic asam (Ogata et al., 1973; Okami et al., 1974). BioA inhibitor, amiclenomycin, adalah antibiotik spektrum sempit dengan aktivitas melawan mikobakteri sp., tetapi tidak bakteri lainnya atau jamur yang dapat mengais eksogen biotin (Kitahara et al.,1975). Aktivitas anti-TB dapat dibalik dengan konsentrasi tinggi dari biotin eksternal, di atas 0.01 g/mL (Sandmark et al.,tahun 2002; Mann et al, 2005), yang merupakan setidaknya 10-fold lebih besar daripada konsentrasi yang ditemukan dalam plasma manusia normal (mengejek dan Malik, 1992). Ini berarti bahwa biotin larut dalam air mungkin masuk melalui membran Basil menggunakan mekanisme yang yang belum diketahui, tetapi hanya dalam supra fisiologis konsentrasi nutrisi. Demikian pula, inhibitor BioA asam actithiazic juga menampilkan spektrum sempit aktivitas melawan Mikobakteri (Ogata et al., 1973). Bersama-sama, dibatasi antibiotik spektrum konsisten dengan studi genetik menunjukkan de novo biotin biosintesis sangat penting dalam Mycobacterium sp., tetapi tidak eubacteria lain.

ARAH MASA DEPANDalam tinjauan ini kami telah menyoroti utama studi yang menunjukkan biotin biosintesis adalah proses metabolisme penting di Mikobakteri. Mengapa Basil telah berevolusi ketergantungan tersebut. Berdasarkan sintesis mereka sendiri, daripada pemulungan dari eksogen sumber, membingungkan. Hal ini terutama jadi ketika satu menganggap biosintesis biotin yang penuh semangat latihan yang mahal yang memerlukan enzim setidaknya enam dan tujuh ATP setara untuk menghasilkan satu biotin molekul (Abdel-Hamid dan Cronan, 2007). Dimungkinkan bahwa jumlah biotin biologis hadir di dalam sel-sel inang mamalia mana Basil berada begitu langka bahwa de novo sintesis adalah strategi kelangsungan hidup suara. Dengan menerapkan genetika modern penelitian alat, seperti proteomik dan penelitian metabolomics, peneliti dapat mulai membedah enzim bagaimana metabolisme dan jalur diatur dalam menanggapi microenvironments ceruk ditemui di dalam sel-sel inang. Secara khusus, ini pekerjaan akan memungkinkan kita untuk lebih memahami kontribusi biotin-dependent enzim, carboxylase piruvat dan Asil CoA carboxylase, dalam adaptasi metabolik. Selain itu, pekerjaan yang disorot dalam tinjauan ini membantu untuk membangun biotin jalur biosintesis sebagai target yang potensial untuk pengembangan agen-agen anti-TB baru. Terutama penting adalah studi yang menyarankan jalur ini sangat penting dalam fase pertumbuhan aktif serta latency. Sementara studi genetik validasi mendorong, kurangnya farmakologis validasi menuntut lebih banyak pekerjaan di daerah ini. Menjelang akhir ini, yang baru ketersediaan struktur X-ray untuk BioA dan BioD mungkin untuk membantu upaya dalam struktur dipandu inhibitor desain (Dey et al.,2010).