Молекулярная модель транслокации норфлоксацина через канал OmpF порина Yersinia pseudotuberculosis

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С помощью методов, основанных на использовании бислойных липидных мембран (БЛМ), молекулярного моделирования и тестирования антибактериальной активности изучено взаимодействие порина Yersinia pseudotuberculosis OmpF (YpOmpF) с фторхинолоновым антибиотиком норфлоксацином (Nf) и его производными (моно- и дигидрохлоридом). Обнаружено асимметричное поведение заряженных молекул Nf, NfН+1 и Nf2Н+2, при движении по каналу YpOmpF в зависимости от мембранного напряжения и от стороны добавления антибиотика. Электрофизиологические данные подтверждены компьютерным моделированием. Для заряженных форм антибиотика показано наличие двух периферических сайтов высокоаффинного связывания (NBS1 и NBS2), а также асимметричного сайта блокировки тока вблизи сужения канала (NBS3). Сайт NBS1, расположенный вблизи устья канала, практически одинаков по сродству к обеим заряженным формам Nf, тогда как локализация более энергетически выгодного сайта NBS2 для двух солевых форм антибиотика существенно различается. Nf имеет только один сайт связывания вблизи зоны сужения канала, который представляет собой кластер сайтов с более низким общим сродством по сравнению с упомянутыми выше периферическими сайтами связывания. Небольшие различия были обнаружены в антибактериальной активности трех форм Nf, что, вероятно, определяется их разным зарядовым состоянием и, соответственно, разной проникающей способностью и/или способностью связываться внутри канала YpOmpF.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. К. Чистюлин

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

Е. А. Зелепуга

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Автор, ответственный за переписку.
Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

В. Л. Новиков

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

Н. Н. Баланева

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

В. П. Глазунов

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

Е. А. Чингизова

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

В. А. Хоменко

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: zel01@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

О. Д. Новикова

Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН им. Г.Б. Елякова

Email: novolga_05@mail.ru
Россия, 690022, Владивосток

Список литературы

  1. Ghai I., Ghai S. 2017. Infection and drug resistance exploring bacterial outer membrane barrier to combat bad bugs. Infection and Drug Resistance. 10, 261–273. https://doi.org/10.2147/IDR.S144299
  2. Scorciapino M.A., Acosta-Gutierrez S., Benkerrou D., D’Agostino T., Malloci G., Samanta S., Bodrenko I., Ceccarelli M. 2017. Rationalizing the permeation of polar antibiotics into Gram-negative bacteria. J. Phys. Condens. Matter. 29 (11), 113001. https://doi.org/10.1088/1361–648X/aa543b
  3. Cowan S.W., Garavito R.M., Jansonius J.N., Jenkins J.A., Karlsson R., König N., Pai E.F., Pauptit R.A., Rizkallah P.J., Rosenbusch J.P., Rummel G., Schirmer T.1995. The structure of OmpF porin in a tetragonal crystal form. Structure. 3 (10), 1041–1050. https://doi.org/10.1016/S0969–2126(01)00240–4
  4. Baslé A., Rummel G., Storici P., Rosenbusch J.P., Schirmer T. 2006. Crystal structure of osmoporin OmpC from E. coli at 2.0 Å.J. Mol. Biol. 362 (5), 933–942. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2006.08.002
  5. Acosta-Gutiérrez S., Bodrenko I., Scorciapino M.A., Ceccarelli M. 2016. Macroscopic electric field inside water-filled biological nanopores. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (13), 8855–8864. https://doi.org/10.1039/c5cp07902k
  6. Im W., Roux B. 2002. Ion permeation and selectivity of OmpF porin: A theoretical study based on molecular dynamics, Brownian dynamics, and continuum electrodiffusion theory. J. Mol. Biol. 322 (4), 851–869. https://doi.org/10.1016/S0022–2836(02)00778–7
  7. Bredin J., Saint N., Malléa M., Dé E., Molle G., Pagès J.M., Simonet V. 2002. Alteration of pore properties of Escherichia coli OmpF induced by mutation of key residues in anti-loop 3 region. Biochem. J. 363 (3), 521–528. https://doi.org/10.1042/0264–6021:3630521
  8. Yoshimura F., Nikaido H. 1985. Diffusion of beta-lactam antibiotics through the porin channels of Escherichia coli K-12. Antimicrob. Agents Chemother. 27 (1), 84–92. https://doi.org/10.1128/AAC.27.1.84
  9. Pagès J.M., James C.E., Winterhalter M. 2008. The porin and the permeating antibiotic: A selective diffusion barrier in Gram-negative bacteria. Nat. Rev. Microbiol. 6 (12), 893–903. https://doi.org/10.1038/nrmicro1994
  10. Choi U., Lee C.R. 2019. Distinct roles of outer membrane porins in antibiotic resistance and membrane integrity in Escherichia coli. Front. Microbiol. 10, 953. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00953
  11. James C.E., Mahendran K.R., Molitor A., Bolla J.M., Bessonov A.N., Winterhalter M., Pagès J.M. 2009. How β-lactam antibiotics enter bacteria: A dialogue with the porins. PLoS One.4 (5), e5453. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0005453
  12. Acosta-Gutiérrez S., Ferrara L., Pathania M., Masi M., Wang J., Bodrenko I., Zahn M., Winterhalter M., Stavenger R.A., Pagès J.M., Naismith J.H., van den Berg B., Page M., Ceccarelli M. 2018. Getting drugs into gram-negative bacteria: rational rules for permeation through general porins. ACS Infect. Dis. 4 (10), 1487–1498. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.8b00108
  13. Lou H., Chen M., Black S.S., Bushell S.R., Ceccarelli M., Mach T., Beis K., Low A.S., Bamford V.A., Booth I.R., Bayley H., Naismith J.H. 2011. Altered antibiotic transport in OmpC mutants isolated from a series of clinical strains of multi-drug resistant E. coli. PLoS One. 6 (10), e25825. doi: 10.1371/journal.pone.0025825
  14. Ziervogel B.K., Roux B. 2013. The binding of antibiotics in OmpF porin. Structure. 21 (1), 76–87. https://doi.org/10.1016/j.str.2012.10.014
  15. Sugawara E., Kojima S., Nikaido H. 2016. Klebsiella pneumoniae major porins OmpK35 and OmpK36 allow more efficient diffusion of β-lactams than their Escherichia coli homologs OmpF and Omp C.J. Bacteriol. 198 (23), 3200–3208. https://doi.org/10.1128/JB.00590–16
  16. Moya-Torres A., Mulvey M.R., Kumar A., Oresnik I.J., Brassinga A.K.C. 2014. The lack of OmpF, but not OmpC, contributes to increased antibiotic resistance in Serratia marcescens. Microbiol. 160 (9), 1882–1892. https://doi.org/10.1099/mic.0.081166–0
  17. Okamoto K., Gotoh N., Nishino T. 2001. Pseudomonas aeruginosa reveals high intrinsic resistance to penem antibiotics: Penem resistance mechanisms and their interplay. Antimicrob. Agents Chemother. 45 (7), 1964–1971. https://doi.org/10.1128/AAC.45.7.1964–1971.2001
  18. Bornet C., Davin-Regli A., Bosi C., Pages J.M., Bollet C. 2000. Imipenem resistance of Enterobacter aerogenes mediated by outer membrane permeability. J. Clin. Microbiol. 38 (3), 1048–1052. doi: 10.1128/jcm.38.3.1048–1052.2000
  19. Mortimer P.G.S., Piddok L.J.V. 1993. The accumulation of five antibacterial agents in porin-deficient mutants of Escherichia coli. J. Antimicrob. Chemother. 32 (2), 195–213. https://doi.org/10.1093/jac/32.2.195
  20. Mahendran K.R., Kreir M., Weingart H., Fertig N., Winterhalter M. 2010. Permeation of antibiotics through Escherichia coli OmpF and OmpC porins. J. Biomol. Screen. 15 (3), 302–307.doi: 10.1177/1087057109357791
  21. Mahendran K.R., Hajjar E., MacH T., Lovelle M., Kumar A., Sousa I., Spiga E., Weingart H., Gameiro P., Winterhalter M., Ceccarelli M. 2010. Molecular basis of enrofloxacin translocation through OmpF, an outer membrane channel of Escherichia coli — When binding does not imply translocation. J. Phys. Chem. B. 114 (15), 5170–5179. https://doi.org/10.1021/jp911485k
  22. Mach T., Neves P., Spiga E., Weingart H., Winterhalter M., Ruggerone P., Ceccarelli M., Gameiro P. 2008. Facilitated permeation of antibiotics across membrane channels — Interaction of the quinolone moxifloxacin with the OmpF channel. J. Am. Chem. Soc. 130 (40), 13301–13309. https://doi.org/10.1021/ja803188c
  23. Bajaj H., Acosta-Gutierrez S., Bodrenko I., Malloci G., Scorciapino M.A., Winterhalter M., Ceccarelli M. 2017. Bacterial outer membrane porins as electrostatic nanosieves: exploring transport rules of small polar molecules. ACS Nano. 11 (6), 5465–5473. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b08613
  24. Nestorovich E.M., Danelon C., Winterhalter M., Bezrukov S.M. 2002. Designed to penetrate: Time-resolved interaction of single antibiotic molecules with bacterial pores. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99 (15), 9789–9794. https://doi.org/10.1073/pnas.152206799
  25. Kojima S., Nikaido H. 2013. Permeation rates of penicillins indicate that Escherichia coli porins function principally as nonspecific channels. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110 (28), 2629–2634. https://doi.org/10.1073/pnas.1310333110
  26. Bafna J.A., Pangeni S., Winterhalter M., Aksoyoglu M.A. 2020. Electroosmosis dominates electrophoresis of antibiotic transport across the outer membrane porin F. Biophys. J. 118 (11), 2844–2852. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.04.011
  27. Gaussian 16W. Version 1.1. Gaussian Inc., Wallingford (CT), 2019.
  28. Khomenko V.A., Portnyagina O.Y., Novikova O.D., Isaeva M.P., Kim N.Y., Likhatskaya G.N., Vostrikova O.P., Solov’eva T.F. 2008. Isolation and characterization of recombinant OmpF-like porin from the Yersinia pseudotuberculosis outer membrane. Russ. J. Bioorg. Chem. 34 (2), 162–168. https://doi.org/10.1134/s1068162008020040
  29. Mueller P., Rudin D.O., Ti Tien H., Wescott W.C. 1962. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature. 194 (4832), 979–980. https://doi.org/10.1038/194979a0
  30. Molecular Operating Environment (MOE), 2019.01; Chemical Computing Group ULC, 1010 Sherbooke St. West, Suite #910, Montreal, QC, Canada, H3A 2R7, 2021.
  31. Lee J., Cheng X., Swails J.M., Yeom M.S., Eastman P.K., Lemkul J.A., Wei S., Buckner J., Jeong J.C., Qi Y., Jo S., Pande V.S., Case D.A., Brooks C.L., MacKerell A.D., Klauda J.B., Im W. 2016. CHARMM-GUI input generator for NAMD, GROMACS, AMBER, OpenMM, and CHARMM/OpenMM simulations using the CHARMM36 additive force field. J. Chem. Theory Comput. 12 (1), 405–413. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00935
  32. Lee J., Hitzenberger M., Rieger M., Kern N.R., Zacharias M., Im W. 2020. CHARMM-GUI supports the Amber force fields. J. Chem. Phys. 153 (3), 035103–035109. https://doi.org/10.1063/5.0012280
  33. Case D.A., Babin V., Berryman J.T., Betz R.M., Cai Q., Cerutti D.S., Cheatham III T.E., Darden T.A., Duke R.E., Gohlke H.; Goetz A.W., Gusarov S., Homeyer N., Janowski P., Kaus J., Kolossváry I., Kovalenko A., Lee T.S., LeGrand S., Luchko T., Luo R., Madej B., Merz K.M., Paesani F., Roe D.R., Roitberg A., Sagui C., Salomon-Ferrer R., Seabra G., Simmerling C.L., Smith W., Swails J., Walker R.C., Wang J., Wolf R.M., Wu X., Kollman P.A. (2014), AMBER14, University of California, San Francisco.
  34. Dickson C. J., Madej B.D., Skjevik Å.A., Betz R.M., Teigen K., Gould I.R., Walker R.C. 2014. Lipid14: The amber lipid force field. J. Chem. Theory Comput. 10 (2), 865–879. https://doi.org/10.1021/ct4010307
  35. Jorgensen W. L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., Klein M.L. 1983. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J. Chem. Phys. 79 (2), 926–935. https://doi.org/10.1063/1.445869
  36. Methods for dilution of antimicrobial susceptibility tests for bacteria that grow aerobically; Approved standard — 10th Edition. CLSI Document M07-A10. (2015) Clinical and Laboratory Standards Institute, Wayne, PA. Available from: http://www.eucast.org.
  37. Samson R.A. 1974. Paecilomyces and some allied hyphomycetes. Studies in mycology. (6), 1–119.
  38. Ahumada A. A., Seeck J., Allemandi D., Manzo R.H. 1993. The pH/solubility profile of norfloxacin. S.T.R. Pharma Sciences. 3 (3), 250–253.
  39. Reed A. E., Weinstock R.B., Weinhold F. 1985. Natural population analysis. J. Chem. Phys. 83 (2), 735–746. https://doi.org/10.1063/1.449486.
  40. Reed A. E., Weinhold F. 1985. Natural localized molecular orbitals. J. Chem. Phys. 83 (4), 1736–1740. https://doi.org/10.1063/1.449360
  41. Malloci G., Vargiu A.V., Serra G., Bosin A., Ruggerone P., Ceccarelli M. 2015. A database of force-field parameters, dynamics, and properties of antimicrobial compounds. Molecules. 20 (8), 13997–14021. https://doi.org/10.3390/molecules200813997.
  42. Hoenger A., Pagès J.M., Fourel D., Engel A.1993. The orientation of porin OmpF in the outer membrane of Escherichia coli. J. Mol. Biol. 233 (3), 400–413. https://doi.org/10.1006/jmbi.1993.1520
  43. Danelon C., Brando T., Winterhalter M. 2003. Probing the orientation of reconstituted maltoporin channels at the single-protein level. J. Biol. Chem. 278 (237), 35542–35551. https://doi.org/10.1074/jbc.M305434200
  44. Tanabe M., Nimigean C.M., Iverson T.M. 2010. Structural basis for solute transport, nucleotide regulation, and immunological recognition of Neisseria meningitides Por B. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107 (15), 6811–6816. https://doi.org/10.1073/pnas.0912115107
  45. Likhatskaya G.N., Solov’eva T.F., Novikova O.D., Issaeva M.P., Gusev K.V., Kryzhko I.B., Trifonov E.V., Nurminski E.A. 2005. Homology models of the Yersinia pseudotuberculosis and Yersinia pestis general porins and comparative analysis of their functional and antigenic regions. J. Biomol. Struct. Dyn. 23 (2), 163–174. https://doi.org/10.1080/07391102.2005.10507056
  46. Robertson K. M., Tieleman D.P. 2002. Orientation and interactions of dipolar molecules during transport through OmpF porin. FEBS Lett. 528 (1–3), 53–57. https://doi.org/10.1016/S0014–5793(02)03173–3
  47. Danelon C., Nestorovich E.M., Winterhalter M., Ceccarelli M., Bezrukov S.M. 2006. Interaction of zwitterionic penicillins with the OmpF channel facilitates their translocation. Biophys. J. 90 (5), 1617–1627. https://doi.org/10.1529/biophysj.105.075192
  48. Сama J., Bajaj H., Pagliara S., Maier T., Braun Y., Winterhalter M., Keyser U.F. 2015. Quantification of fluoroquinolone uptake through the outer membrane channel OmpF Escherichia coli. J. Am. Chem. Soc. 137 (43), 13836–13843. https://doi.org/10.1021/jacs.5b08960
  49. Prigogine I., Stuart A.R. 1999. Hydrogen bonds with large proton polarizability and proton transfer processes in electrochemistry and biology. Adv. Chem. Phys. 111, 1–217. https://doi.org/10.1002/9780470141700.CH1
  50. Woldegiorges K., Belay A., Kebede A., Abebe T. 2021. Estimating the ground and excited state dipole moments of levofloxacin and norfloxacin drugs using solvatochromic effects and computational work. J. Spectroscopy. Article ID7214182. https://doi.org/10.1155/2021/7214182
  51. Van Gelder P., Dumas F., Rosenbusch J.P., Winterhalter M. 2000. Oriented channels reveal asymmetric energy barriers for sugar translocation through maltoporin of Escherichia coli. Eur. J. Biochem. 267 (1), 79–84. https://doi.org/10.1046/j.1432–1327.2000.00960.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурные формулы норфлоксацина (1) и его солей, моногидрохлорида (2) и дигидрохлорида (3).

Скачать (151KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структуры четырех теоретически возможных форм молекулы норфлоксацина.

Скачать (73KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Суммарная проводимость пориновых каналов YpOmpF в отсутствии (левая часть) и при добавлении (правая часть) моногидрохлорида норфлоксацина (а). Запись тока через одиночный канал YpOmpF в присутствии антибиотика (б). Водная фаза: 1 M KCl, 10 мМ Трис-HCl, 10 мМ MES, 10 мM бета-аланина, 200 нг/мл белка (а) и 20 нг/мл (б). Мембранный потенциал 50 мВ (а) и от –100 до +100 мВ (б). По оси ординат — ионный ток через мембрану, мА.

Скачать (232KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты электрофизиологических экспериментов с моногидрохлоридом (б и в) и дигидрохлоридом (г и д) норфлоксацина на одиночных каналах неспецифического порина OmpF Y. pseudotuberculosis.

Скачать (503KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Пространственная организация вероятных комплексов YpOmpF с Nf·HCl. 3D-структура гомотримера порина YpOmpF, две субъединицы представлены в виде молекулярной поверхности, одна — в виде ленточной диаграммы, липиды и водное окружение удалены для наглядности. Молекулы NfH+1 (а) и Nf2H+2 (б) в двух сайтах связывания приведены в шаровом представлении, в trans-положении розовым и синим цветом, в cis-положении — желтым и зеленым цветом, соответственно окружающие их аминокислотные остатки приведены в стержневом представлении. В выносках приведены 2D-диаграммы межмолекулярных взаимодействий NfH+1 (а) и Nf2H+2 (б) в обоих сайтах связывания.

Скачать (222KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пространственная организация вероятных комплексов YpOmpF с NfH+1 и Nf2H+2. 3D-структура мономера порина YpOmpF, в виде ленточной диаграммы, часть β-тяжа, липиды и водное окружение удалены для наглядности. Молекулы NfH+1 (синий цвет, нижняя вставка) и Nf2H+2 (коричневый цвет, верхняя вставка) в сайте связывания NВS3 приведены в шаростержневом представлении. В выносках приведены 2D-диаграммы нековалентных межмолекулярных взаимодействий NfH+1 (верхняя вставка) и Nf2H+2 (нижняя вставка) с YpOmpF.

Скачать (153KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пространственная организация вероятных комплексов Nf с YpOmpF. 3D-структура мономера порина YpOmpF, в виде ленточной диаграммы, часть β-тяжей, липиды и водное окружение удалены для наглядности. Возможные ориентации молекулы Nf (верхняя часть — розовый цвет и нижняя часть — голубой цвет) в ЗК приведены в шаростержневом представлении, остатки, ответственные за связывание Nf, приведены в стержневом представлении и обозначены. Ионные взаимодействия обозначены голубыми поверхностями, водородные связи — серыми стержнями.

Скачать (278KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Профили энергетических барьеров при транслокации заряженных форм норфлоксацина (NfH+1 и Nf2H+2) через канал OmpF Y. pseudotuberculosis.

Скачать (112KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024