Структуры белка прокладывают путь к противогрибковым препаратам широкого спектра

Грибковые инфекции могут быть смертельно опасны, унося около 150 жизней каждый час, что приводит к более чем миллиону смертей в год — больше, чем от малярии и туберкулеза вместе взятых.

Противогрибковый арсенал ограничен, многие из лучших препаратов созданы более 50 лет назад.

Поиск новых противогрибковых средств недавно сосредоточился на простом биологическом пути — производстве трегалозы, химического «родственника» столового сахара, необходимого патогенным грибам для выживания в организме человека. Команда исследователей из Университета Дьюка определила структуру фермента, необходимого для синтеза этого грибкового фактора.

Когда фермент блокируется, патогенные грибы не могут выдержать стрессовый переход из внешней среды в организм человека.

Исследование, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, прокладывает путь к созданию новых противогрибковых препаратов, нацеленных на фермент, который необходим трем наиболее смертоносным грибам: Cryptococcus, Candida и Aspergillus.

«Мы обнаружили, что активный сайт этого фермента идентичен у каждого из этих патогенных грибов, поэтому все они используют один и тот же механизм и имеют одинаковые остатки, необходимые для производства трегалозы», — сказал старший автор исследования Ричард Г. Бреннан, доктор философии.

«Нацеливаясь на эти активные сайты, мы надеемся создать препарат с широким спектром действия», — сказал Бреннан. «Если вы сможете убить один грибок, вы убьете их всех; по крайней мере, если сможете доставить препарат внутрь».

Разработка противогрибковых препаратов сильно отстает от разработки других противомикробных средств. Поскольку грибы, как и люди, являются эукариотическими многоклеточными организмами, они имеют много общих генов, белков и путей. В результате препараты, нацеленные на грибковый белок, могут также навредить человеку, вызывая серьезные побочные эффекты. Эти токсичности — одна из основных причин, по которой противогрибковая терапия в конечном итоге терпит неудачу. К счастью, ферменты для синтеза сахара трегалозы отсутствуют у людей, поэтому ученые могут нацеливаться на них с меньшим риском побочного ущерба.

Патогенные грибы используют трегалозу в качестве своего рода молекулярного теплового щита. Организмы, такие как Cryptococcus, Candida и Aspergillus, большую часть времени проводят либо в почве, либо в лаборатории, где температура составляет комфортные 30 градусов по Цельсию. Но когда они попадают в организм хозяина, они внезапно подвергаются воздействию температуры 37 градусов. Трегалоза защищает хрупкие белки и мембраны грибов от разрушения под воздействием тепла.

Бреннан и его коллеги предположили, что если остановить производство трегалозы, можно устранить защиту патогена, так что каждый раз, когда грибы попадают в хозяина, они обрекают себя на гибель.

Трегалоза — это дисахарид, два сахарных остатка, которые создаются и связываются двумя ферментами Tps1 и Tps2, работающими последовательно. Прежде чем ученые смогли нацелиться на любой из этих ферментов, им нужно было знать его структуру.

И Мао, аспирант в лаборатории Бреннана, следуя инструкциям, записанным в генетической последовательности Cryptococcus, Candida и Aspergillus, создал Tps2 (второй из двух ферментов) с нуля. Затем он использовал метод рентгеновской кристаллографии, чтобы получить атомную трехмерную структуру этой важной молекулы.

Мао сделал несколько снимков Tps2, чтобы создать своего рода замедленное видео молекулы в действии: сначала в состоянии покоя; затем, когда она связывает молекулу-предшественник трегалозо-6-фосфат, отщепляя фосфатную группу для создания трегалозы; и, наконец, после завершения работы, когда она высвобождает трегалозу.

Затем исследователи создали серию мутаций в Tps2, чтобы проверить, могут ли они нарушить его способность производить трегалозу и, как следствие, сделать патогенные грибы уязвимыми к тепловому шоку. Они показали, что широкий спектр мутаций может инактивировать фермент и создать грибы, неспособные выжить при переходе с 30 до 37 градусов.

«Похоже, этот фермент стал настолько специфичным, что фактически загнал себя в угол», — сказал Бреннан. «Это хорошо для нас, потому что если он попытается развить устойчивость к противогрибковому препарату, он, вероятно, потеряет свою активность в процессе, так что препарат, возможно, не сможет его уничтожить, но он станет плохим ферментом, и патоген все равно умрет».

Бреннан говорит, что он и его коллеги теперь используют свои структуры Tps2 для проведения «рационального» дизайна лекарств, чтобы создать новые противогрибковые средства, способные убивать широкий спектр патогенных грибов. Они также проводят высокопроизводительный скрининг малых молекул или других фармацевтических соединений, которые могут давать тот же эффект.