Характеристика структурных свойств и антимикробной активности пептида C3f системы комплемента

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Пептид C3f является побочным продуктом регуляции активированной системы комплемента, не имеющим собственной твердо установленной функции. Ранее мы показали, что в условиях in vitro C3f проявляет умеренную антимикробную активность против некоторых грамположительных бактерий. Наличие двух остатков гистидина в аминокислотной последовательности пептида позволило предположить усиление его антимикробной активности при понижении pH и в присутствии катионов металлов, в частности цинка. Поскольку такие условия могут реализовываться в очагах воспаления, исследование зависимости активности C3f от pH и присутствия катионов металлов дает возможность оценить биологическую значимость антимикробных свойств пептида. Пептид C3f и его аналоги с заменами гистидинов лизинами или серинами, C3f[H/K] и C3f[H/S], получили методом твердофазного синтеза. С помощью спектроскопии КД мы установили, что C3f содержит β-шпильку и неструктурированные регионы; присутствие Zn2+ не сказывалось на конформации пептида. В настоящей работе показано, что C3f может проявлять антимикробную активность и в отношении грамотрицательных бактерий, в частности, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27583. Действие пептида на Ps. aeruginosa и Listeria monocytogenes EGD сопровождается нарушением барьерной функции бактериальных мембран. Ионы Zn2+, но не Cu2+, повышали антимикробную активность C3f в отношении L. monocytogenes, причем 4-кратный и 8-кратный молярный избыток Zn2+ был не более эффективен, чем 20%-ный. Активность аналогов C3f также в некоторой степени усиливалась ионами цинка. Таким образом, мы предполагаем гистидин-независимое формирование комплексов C3f–Zn2+, приводящее к повышению суммарного заряда и антимикробной активности пептида. В присутствии 0,15 М NaCl C3f терял активность независимо от наличия Zn2+, что свидетельствует о незначительной роли C3f как эндогенного антимикробного пептида. Присутствие C3f отменяло бактерицидный эффект Zn2+ в отношении цинк-чувствительного штамма Escherichia coli ESBL 521/17, что косвенно подтверждает взаимодействие пептида с Zn2+. При снижении pH возрастала активность C3f против Micrococcus luteus A270, но не против L. monocytogenes. В данной работе на примере C3f мы показываем значимость таких факторов, как pH и катионы металлов, в реализации активности антимикробных пептидов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Кренев

Институт экспериментальной медицины

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург

Е. В. Егорова

Институт экспериментальной медицины; Санкт-Петербургский государственный университет

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 199034, Санкт-Петербург

М. М. Хайдукова

Институт экспериментальной медицины; НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 192019, Санкт-Петербург

А. Д. Микушина

Институт экспериментальной медицины; Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова

Email: berlov.mn@iemspb.ru4
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 194021, Санкт-Петербург

Я. А. Забродская

Институт экспериментальной медицины; НИИ гриппа имени А.А. Смородинцева»; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 197376, Санкт-Петербург; 195251, Санкт-Петербург

А. С. Комлев

Институт экспериментальной медицины

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург

И. Е. Елисеев

Институт экспериментальной медицины; Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 194021, Санкт-Петербург

О. В. Шамова

Институт экспериментальной медицины; Санкт-Петербургский государственный университет

Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 199034, Санкт-Петербург

М. Н. Берлов

Институт экспериментальной медицины; Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: berlov.mn@iemspb.ru
Россия, 197022, Санкт-Петербург; 199034, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Merle, N. S., Church, S. E., Fremeaux-Bacchi, V., and Roumenina, L. T. (2015) Complement system Part I – Molecular mechanisms of activation and regulation, Front. Immunol., 6, 262, https://doi.org/10.3389/fimmu. 2015.00262.
  2. Merle, N. S., Noe, R., Halbwachs-Mecarelli, L., Fremeaux-Bacchi, V., and Roumenina, L. T. (2015) Complement system Part II: role in immunity, Front. Immunol., 6, 257, https://doi.org/10.3389/fimmu.2015.00257.
  3. Xie, C. B., Jane-Wit, D., and Pober, J. S. (2020) Complement membrane attack complex: new roles, mechanisms of action, and therapeutic targets, Am. J. Pathol., 190, 1138-1150, https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2020.02.006.
  4. Егорова Е. В., Кренев И. А., Оборин Н. Н., Берлов М. Н. (2023) Антимикробная активность системы комплемента, Мед. Акад. Журн., 23, 31-45, https://doi.org/10.17816/MAJ322841.
  5. Radek, K., and Gallo, R. (2007) Antimicrobial peptides: natural effectors of the innate immune system, Semin. Immunopathol., 29, 27-43, https://doi.org/10.1007/s00281-007-0064-5.
  6. Moravej, H., Moravej, Z., Yazdanparast, M., Heiat, M., Mirhosseini, A., Moosazadeh Moghaddam, M., and Mirnejad, R. (2018) Antimicrobial peptides: features, action, and their resistance mechanisms in bacteria, Microb. Drug Resist., 24, 747-767, https://doi.org/10.1089/mdr.2017.0392.
  7. Zhang, Q. Y., Yan, Z. B., Meng, Y. M., Hong, X. Y., Shao, G., Ma, J. J., Cheng, X. R., Liu, J., Kang, J., and Fu, C. Y. (2021) Antimicrobial peptides: mechanism of action, activity and clinical potential, Mil. Med. Res., 8, 48, https://doi.org/10.1186/s40779-021-00343-2.
  8. Safronova, V. N., Bolosov, I. A., Panteleev, P. V., Balandin, S. V., and Ovchinnikova, T. V. (2023) Therapeutic potential and prospects of application of peptides in the era of the global spread of antibiotic resistance, Russ. J. Bioorg. Chem., 49, 435-447, https://doi.org/10.1134/S1068162023030172.
  9. Wang, G. (2014) Human antimicrobial peptides and proteins, Pharmaceuticals, 7, 545-594, https://doi.org/10.3390/ph7050545.
  10. Huan, Y., Kong, Q., Mou, H., and Yi, H. (2020) Antimicrobial peptides: Classification, design, application and research progress in multiple fields, Front. Microbiol., 11, 582779, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.582779.
  11. Zimmer, J., Hobkirk, J., Mohamed, F., Browning, M. J., and Stover, C. M. (2015) On the functional overlap between complement and anti-microbial peptides, Front. Immunol., 5, 689, https://doi.org/10.3389/fimmu.2014.00689.
  12. Nordahl, E. A., Rydengård, V., Nyberg, P., Nitsche, D. P., Mörgelin, M., Malmsten, M., Björck, L., and Schmidtchen, A. (2004) Activation of the complement system generates antibacterial peptides, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 48, 16879-16884, https://doi.org/10.1073/pnas.0406678101.
  13. Pasupuleti, M., Walse, B., Nordahl E., Mörgelin, M., Malmsten, M., and Schmidtchen A. (2007) Preservation of antimicrobial properties of complement peptide C3a, from Invertebrates to Humans, J. Biol. Chem., 282, 2520-2528, https://doi.org/10.1074/jbc.M607848200.
  14. Lachmann, P. J. (2019) The story of complement factor I, Immunobiology, 224, 511-517, https://doi.org/10.1016/ j.imbio.2019.05.003.
  15. Harrison, R. A., Farries, T. C., Northrop, F. D., Lachmann, P. J., and Davis, A. E. (1988) Structure of C3f, a small peptide specifically released during inactivation of the third component of complement, Complement, 5, 27-32, https://doi.org/10.1159/000463028.
  16. Ganu, V. S., Müller-Eberhard, H. J., and Hugli, T. E. (1989) Factor C3f is a spasmogenic fragment released from C3b by factors I and H: the heptadeca-peptide C3f was synthesized and characterized, Mol. Immunol., 10, 939-948, https://doi.org/10.1016/0161-5890(89)90112-0.
  17. Dousset, B., Straczek, J., Maachi, F., Nguyen, D. L., Jacob, C., Capiaumont, J., Nabet, P., and Belleville, F. (1998) Purification from human plasma of a hexapeptide that potentiates the sulfation and mitogenic activities of insulin-like growth factors, Biochem. Biophys. Res. Commun., 247, 587-591, https://doi.org/10.1006/bbrc.1998.8834.
  18. Xiang, Y., Matsui, T., Matsuo, K., Shimada, K., Tohma, S., Nakamura, H., Masuko, K., Yudoh, K., Nishioka, K., and Kato, T. (2007) Comprehensive investigation of disease-specific short peptides in sera from patients with systemic sclerosis: complement C3f-des-arginine, detected predominantly in systemic sclerosis sera, enhances proliferation of vascular endothelial cells, Arthritis Rheum., 56, 2018-2030, https://doi.org/ 10.1002/art.22645.
  19. Ourradi, K., Xu, Y., de Seny, D., Kirwan, J., Blom, A., and Sharif, M. (2017) Development and validation of novel biomarker assays for osteoarthritis. PloS One, 12, e0181334, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0181334.
  20. Pozolotin, V. A., Umnyakova, E. S., Kopeykin, P. M., Komlev, A. S., Dubrovskii, Y. A., Krenev, I. A., Shamova, O. V., and Berlov, M. N. (2021) Evaluation of antimicrobial activity of the C3f peptide, a derivative of human C3 protein, Russ. J. Bioorg. Chem., 47, 741-748, https://doi.org/10.1134/S1068162021030158.
  21. Dubos, R. J. (1955) The micro-environment of inflammation or Metchnikoff revisited, Lancet, 266, 1-5, https://doi.org/10.1016/s0140-6736(55)93374-2.
  22. Lardner, A. (2001) The effects of extracellular pH on immune function, J. Leukoc. Biol., 69, 522-530, https://doi.org/10.1189/jlb.69.4.522.
  23. Milanino, R., Marrella, M., Gasperini, R., Pasqualicchio, M., and Velo, G. (1993) Copper and zinc body levels in inflammation: an overview of the data obtained from animal and human studies, Agents Actions, 39, 195-209, https://doi.org/10.1007/bf01998974.
  24. Sugarman, B. (1983) Zinc and infection, Rev. Infect. Dis., 5, 137-147, https://doi.org/10.1093/clinids/5.1.137.
  25. Eijkelkamp, B. A., Morey, J. R., Neville, S. L., Tan, A., Pederick, V. G., Cole, N., Singh, P. P., Ong, C. Y., Gonzalez de Vega, R., Clases, D., Cunningham, B. A., Hughes, C. E., Comerford, I., Brazel, E. B., Whittall, J. J., Plumptre, C. D., McColl, S. R., Paton, J. C., McEwan, A. G., Doble, P. A., and McDevitt, C. A. (2019) Dietary zinc and the control of Streptococcus pneumoniae infection, PLoS Pathog., 15, e1007957, https://doi.org/10.1371/journal. ppat.1007957.
  26. Bowdish, D. M. E., Davidson, D. J., and Hancock, R. E. W. (2005) A re-evaluation of the role of host defence peptides in mammalian immunity, Curr. Protein Pept. Sci., 6, 35-51, https://doi.org/10.2174/1389203053027494.
  27. Malik, E., Dennison, S. R., Harris, F., and Phoenix, D. A. (2016) pH dependent antimicrobial peptides and proteins, their mechanisms of action and potential as therapeutic agents, Pharmaceuticals, 9, 67, https://doi.org/10.3390/ph9040067.
  28. Li, S., and Hong, M. (2011) Protonation, tautomerization, and rotameric structure of histidine: a comprehensive study by magic-angle-spinning solid-state NMR, J. Am. Chem. Soc., 133, 1534-1544, https://doi.org/10.1021/ja108943n.
  29. Xu, T., Levitz, S. M., Diamond, R. D., and Oppenheim, F. G. (1991) Anticandidal activity of major human salivary histatins, Infect. Immun., 59, 2549-2554, https://doi.org/10.1128/iai.59.8.2549-2554.1991.
  30. Mochon, A. B., and Liu, H. (2008) The antimicrobial peptide histatin-5 causes a spatially restricted disruption on the Candida albicans surface, allowing rapid entry of the peptide into the cytoplasm, PLoS Pathog., 4, e1000190, https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1000190.
  31. Maisetta, G., Petruzzelli, R., Brancatisano, F. L., Esin, S., Vitali, A., Campa, M., and Batoni, G. (2010) Antimicrobial activity of human hepcidin 20 and 25 against clinically relevant bacterial strains: Effect of copper and acidic pH, Peptides, 31, 1995-2002, https://doi.org/10.1016/j.peptides.2010.08.007.
  32. Holdbrook, D. A., Singh, S., Choong, Y. K., Petrlova, J., Malmsten, M., Bond, P. J., Verma, N. K., Schmidtchen, A., and Saravanan, R. (2018) Influence of pH on the activity of thrombin-derived antimicrobial peptides, Biochim. Biophys Acta Biomembr., 1860, 2374-2384, https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2018.06.002.
  33. McDonald, M., Mannion, M., Pike, D., Lewis, K., Flynn, A., Brannan, A. M., Browne, M. J., Jackman, D., Madera, L., Power Coombs, M. R., Hoskin, D. W., Rise, M. L., and Booth, V. (2015) Structure-function relationships in histidine-rich antimicrobial peptides from Atlantic cod, Biochim. Biophys. Acta, 1848, 1451-1461, https:// doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.03.030.
  34. Shang, D., Sun, Y., Wang, C., Wei, S., Ma, L., and Sun, L. (2012) Membrane interaction and antibacterial properties of chensinin-1, an antimicrobial peptide with atypical structural features from the skin of Rana chensinensis, Appl. Microbiol. Biotechnol., 96, 1551-1560, https://doi.org/10.1007/s00253-012-4148-3.
  35. Alexander, J. L., Thompson, Z., and Cowan, J. A. (2018) Antimicrobial metallopeptides, ACS Chem. Biol., 13, 844-853, https://doi.org/10.1021/acschembio.7b00989.
  36. Donaghy, C., Javellana, J. G., Hong, Y. J., Djoko, K., and Angeles-Boza, A. M. (2023) The synergy between zinc and antimicrobial peptides: an insight into unique bioinorganic interactions, Molecules, 28, 2156, https:// doi.org/10.3390/molecules28052156.
  37. Miller, A., Matera-Witkiewicz, A., Mikołajczyk, A., Wieczorek, R., and Rowińska-Żyrek, M. (2021) Chemical “butterfly effect” explaining the coordination chemistry and antimicrobial properties of clavanin complexes, Inorg. Chem., 60, 12730-12734, https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c02101.
  38. McCaslin, T. G., Pagba, C. V., Yohannan, J., and Barry, B. A. (2019) Specific metallo-protein interactions and antimicrobial activity in Histatin-5, an intrinsically disordered salivary peptide, Sci. Rep., 9, 17303, https:// doi.org/10.1038/s41598-019-52676-7.
  39. Rydengård, V., Andersson, E. N., and Schmidtchen, A. (2006) Zinc potentiates the antibacterial effects of histidine-rich peptides against Enterococcus faecalis, FEBS J., 273, 2399-2406, https://doi.org/10.1111/ j.1742-4658.2006.05246.x.
  40. Edström, A. M., Malm, J., Frohm, B., Martellini, J. A., Giwercman, A., Mörgelin, M., Cole, A. M., and Sørensen, O. E. (2008) The major bactericidal activity of human seminal plasma is zinc-dependent and derived from fragmentation of the semenogelins, J. Immunol., 181, 3413-3421, https://doi.org/10.4049/jimmunol. 181.5.3413.
  41. Juliano, S. A., Pierce, S., deMayo, J. A., Balunas, M. J., and Angeles-Boza, A. M. (2017) Exploration of the innate immune system of Styela clava: Zn2+ binding enhances the antimicrobial activity of the tunicate peptide clavanin A, Biochemistry, 56, 1403-1414, https://doi.org/10.1021/acs.biochem.6b01046.
  42. Fields, G. B., and Noble, R. L. (1990) Solid phase peptide synthesis utilizing 9-fluorenylmethoxycarbonyl amino acids, Int. J. Pept. Protein Res., 35, 161-214, https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1990.tb00939.x.
  43. Micsonai, A., Wien, F., Bulyáki, É., Kun, J., Moussong, É., Lee, Y. H., Goto, Y., Réfrégiers, M., and Kardos, J. (2018) BeStSel: a web server for accurate protein secondary structure prediction and fold recognition from the circular dichroism spectra, Nucleic Acids Res., 46, W315-W322, https://doi.org/10.1093/nar/gky497.
  44. Berlov, M. N., Korableva, E. S., Andreeva, Yu. V., Ovchinnikova, T. V., and Kokryakov, V. N. (2007) Lactoferrin from canine neutrophils: isolation and physicochemical and antimicrobial properties, Biochemistry (Moscow), 72, 445-451, https://doi.org/10.1134/S0006297907040128.
  45. Gant, V. A., Warnes, G., Phillips, I., and Savidge, G. F. (1993) The application of flow cytometry to the study of bacterial responses to antibiotics, J. Med. Microbiol., 39, 147-154, https://doi.org/10.1099/00222615-39-2-147.
  46. Stiefel, P., Schmidt-Emrich, S., Maniura-Weber, K., and Ren, Q. (2015) Critical aspects of using bacterial cell viability assays with the fluorophores SYTO9 and propidium iodide, BMC Microbiol., 15, 36, https://doi.org/10.1186/s12866-015-0376-x.
  47. Osorio, D., Rondón-Villarreal, P., and Torres, R. (2015) Peptides: a package for data mining of antimicrobial peptides, RJ, 7, 4-14, https://doi.org/10.32614/rj-2015-001.
  48. Janssen, B. J., Huizinga, E. G., Raaijmakers, H. C., Roos, A., Daha, M. R., Nilsson-Ekdahl, K., Nilsson, B., and Gros, P. (2005) Structures of complement component C3 provide insights into the function and evolution of immunity, Nature, 437, 505-511, https://doi.org/10.1038/nature04005.
  49. Humphrey, W., Dalke, A., and Schulten, K. (1996) VMD: visual molecular dynamics, J. Mol. Graph., 14, 33-38, https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5.
  50. Petersen, B., Lundegaard, C., and Petersen, T. N. (2010) NetTurnP – neural network prediction of beta-turns by use of evolutionary information and predicted protein sequence features, PLoS One, 5, e15079, https:// doi.org/10.1371/journal.pone.0015079.
  51. Tossi, A., Sandri, L., and Giangaspero, A. (2000) Amphipathic, alpha-helical antimicrobial peptides, Biopolymers, 55, 4-30, https://doi.org/10.1002/1097-0282(2000)55:1<4::AID-BIP30>3.0.CO;2-M.
  52. Nagaoka, I., Hirota, S., Yomogida, S., Ohwada, A., and Hirata, M. (2000) Synergistic actions of antibacterial neutrophil defensins and cathelicidins, Inflamm. Res., 49, 73-79, https://doi.org/10.1007/s000110050561.
  53. Vallee, B. L., and Auld, D. S. (1990) Zinc coordination, function, and structure of zinc enzymes and other proteins, Biochemistry, 29, 5647-5659, https://doi.org/10.1021/bi00476a001.
  54. Li, J., Ren, X., Fan, B., Huang, Z., Wang, W., Zhou, H., Lou, Z., Ding, H., Lyu, J., and Tan, G. (2019) Zinc toxicity and iron-sulfur cluster biogenesis in Escherichia coli, Appl. Environ. Microbiol., 85, e01967-18, https://doi.org/10.1128/AEM.01967-18.
  55. Brocklehurst, K. R., and Morby, A. P. (2000) Metal-ion tolerance in Escherichia coli: analysis of transcriptional profiles by gene-array technology, Microbiology (Reading), 146, 2277-2282, https://doi.org/10.1099/ 00221287-146-9-2277.
  56. Park, J., Oh, J. H., Kang, H. K., Choi, M. C., Seo, C. H., and Park, Y. (2020) Scorpion-venom-derived antimicrobial peptide Css54 exerts potent antimicrobial activity by disrupting bacterial membrane of zoonotic bacteria, Antibiotics (Basel), 9, 831, https://doi.org/10.3390/antibiotics9110831.
  57. Dorey, A., Marinho, C., Piveteau, P., and O’Byrne, C. (2019) Role and regulation of the stress activated sigma factor sigma B (σB) in the saprophytic and host-associated life stages of Listeria monocytogenes, Adv. Appl. Microbiol., 106, 1-48, https://doi.org/10.1016/bs.aambs.2018.11.001.
  58. Gahan, C. G., O’Driscoll, B., and Hill, C. (1996) Acid adaptation of Listeria monocytogenes can enhance survival in acidic foods and during milk fermentation, Appl. Environ. Microbiol., 62, 3128-3132, https://doi.org/10.1128/aem.62.9.3128-3132.1996.
  59. Van Schaik, W., Gahan, C. G., and Hill, C. (1999) Acid-adapted Listeria monocytogenes displays enhanced tolerance against the lantibiotics nisin and lacticin 3147, J. Food Prot., 62, 536-539, https://doi.org/10.4315/ 0362-028x-62.5.536.
  60. Bonnet, M., and Montville, T. J. (2005) Acid-tolerant Listeria monocytogenes persist in a model food system fermented with nisin-producing bacteria, Lett. Appl. Microbiol., 40, 237-242, https://doi.org/10.1111/ j.1472-765X.2005.01661.x.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (531KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Спектры КД пептида С3f при отсутствии и в присутствии ZnCl2

Скачать (72KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Предполагаемая вторичная структура C3f

Скачать (54KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Антимикробная активность пептида C3f и ионов цинка в отношении M. luteus, St. aureus и Ps. aeruginosa. а – Выживаемость бактерий в присутствии C3f; б – выживаемость бактерий в присутствии Zn2+

Скачать (200KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Антимикробная активность C3f и его аналогов в отношении L. monocytogenes при отсутствии и в присутствии ионов металлов. а – Выживаемость бактерий в присутствии Zn2+ и Cu2+; б – действие C3f в зависимости от присутствия Zn2+ и 0,15 М NaCl; в – действие C3f при различном молярном избытке Zn2+; г – действие C3f в зависимости от присутствия Cu2+; д и е – действие C3f[H/S] и C3f[H/K] при отсутствии и в присутствии Zn2+

Скачать (528KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Антимикробное действие ZnCl2 в отношении E. coli ESBL 521/17 при отсутствии и в присутствии 20%-ного молярного избытка C3f

Скачать (80KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Антимикробная активность пептидов при различных значениях pH. а – Действие C3f в отношении L. monocytogenes; б – действие HNP в отношении L. monocytogenes; в и г – действие C3f и C3f[H/K] в отношении M. luteus

Скачать (314KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Действие пептидов на проницаемость мембран бактериальных клеток, выявляемое по флуоресценции комплекса йодида пропидия с нуклеиновыми кислотами

Скачать (114KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024