Analisi strutturali e funzionali della resistenza all'echinomicina che conferisce la proteina Ecm16 da Streptomyces lasalocidi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7980 (2023) Citare questo articolo

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L'echinomicina è un antibiotico bisintercalante del DNA prodotto naturale. Il cluster di geni biosintetici dell'echinomicina negli Streptomyces lasalocidi include un gene che codifica per la proteina di auto-resistenza Ecm16. Qui presentiamo la struttura cristallina con risoluzione 2,0 Å di Ecm16 legato all'adenosina difosfato. La struttura di Ecm16 assomiglia molto a quella di UvrA, il componente del sensore del danno al DNA del sistema di riparazione dell'escissione del nucleotide procariotico, ma Ecm16 manca del dominio di legame UvrB e del modulo di legame dello zinco associato trovato in UvrA. Lo studio sulla mutagenesi ha rivelato che il dominio di inserzione di Ecm16 è necessario per il legame del DNA. Inoltre, la sequenza amminoacidica specifica del dominio di inserzione consente a Ecm16 di distinguere il DNA legato all'echinomicina dal DNA normale e di collegare il legame del substrato all'attività di idrolisi dell'ATP. L'espressione di ecm16 nell'ospite eterologo Brevibacillus choshinensis ha conferito resistenza contro l'echinomicina e altri antibiotici chinomicinici, tra cui tiocoralina, quinaldopeptina e sandramicina. Il nostro studio fornisce nuove informazioni su come i produttori di antibiotici bisintercalanti il ​​DNA respingono i composti tossici che producono.

Gli antibiotici chinomicina agiscono legandosi in modo non covalente alla doppia elica del DNA1. Sono bisintercalanti del DNA, composti che si legano in modo reversibile al duplex del DNA inserendo una coppia di gruppi ad anello aromatici tra coppie di basi adiacenti del DNA. C'è stato molto interesse per questa famiglia di composti a causa della loro potente attività antimicrobica e antitumorale, culminata in un ampio corpus di conoscenze biochimiche, strutturali e cliniche2. Tuttavia, i dettagli meccanicistici sulla resistenza batterica contro i bisintercalanti del DNA rimangono limitati. Sebbene finora non sia stato scoperto alcun elemento di resistenza contro questi composti nei batteri patogeni, è prudente identificare e chiarire i meccanismi di resistenza presenti nell’ambiente naturale. La conoscenza dei meccanismi di resistenza di base consentirà ai ricercatori di sviluppare nuove strategie terapeutiche prima che la resistenza alla chinomicina diventi un problema clinico.

I produttori di antibiotici chinomicina contengono tipicamente uno o più geni di auto-resistenza, che si trovano all'interno del cluster di geni biosintetici degli antibiotici o altrove nel genoma. Ad esempio, il batterio che produce triostina contiene un gene che codifica per un trasportatore ABC3, e il produttore di tiocoralina contiene geni che codificano per un trasportatore ABC e per una proteina di sequestro della tiocoralina4,5. È interessante notare che i produttori di chinomicina contengono anche un gene per un UvrA -like nel loro cluster di geni biosintetici (Tabella 1). UvrA è un enzima di riparazione del DNA proveniente dal percorso universale di riparazione per escissione di nucleotidi procariotici (NER). In breve, UvrA riconosce il danno al DNA e recluta UvrB nel sito della lesione. UvrB recluta UvrC che scinde il legame fosfodiestere otto nucleotidi a monte e fino a cinque nucleotidi a valle del nucleotide modificato. Successivamente, UvrC recluta l'elicasi UvrD che sposta il frammento di DNA scisso. La DNA polimerasi I sintetizza il tratto mancante del DNA utilizzando il filamento complementare non danneggiato come modello e la DNA ligasi sigilla le rotture, completando così la riparazione6.

L'echinomicina è un prototipo di bisintercalante del DNA prodotto da molteplici attinomiceti, tra cui Streptomyces echinatus e Streptomyces lasalocidi (precedentemente noto come S. lasaliensis)7,8,9. È un depsipeptide ciclico che contiene due gruppi chinossalinici e un insolito ponte tioacetalico (Fig. 3)10. L'echinomicina mostra una potente attività antimicrobica contro lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina e gli enterococchi resistenti alla vancomicina11,12 ma non viene utilizzata clinicamente a causa di problemi di solubilità e tossicità. Il cluster di geni biosintetici dell'echinomicina da S. lasalocidi contiene geni che codificano per enzimi che sintetizzano il gruppo chinossalina, enzimi che costruiscono la struttura peptidica e geni che codificano per proteine ​​con funzione sconosciuta13. Una delle proteine ​​funzionalmente non caratterizzate è Ecm16, che è stato postulato per fornire autoprotezione contro l'echinomicina in base all'identità di sequenza (~ 30%) che condivide con le proteine ​​procariotiche UvrA che funzionano nella via NER13.