Archazolid和apicularen:新型特异性V-ATP酶抑制剂
,1 ,2 ,2 ,2 ,2 ,三 ,三和1 马库斯·胡斯
1奥斯纳布吕克大学,Fachbereich Biologie/Chemie,Abteilung Tierphysiologie,49069 Osnabrück,德国
弗洛伦斯·萨西
2Gesellschaft für Biotechnologische Forschung,Bereich Naturstoff,38124 Braunschweig,德国
布里吉特·昆泽
2Gesellschaft für Biotechnologische Forschung,Bereich Naturstoff,38124 Braunschweig,德国
罗尔夫·詹森
2Gesellschaft für Biotechnologische Forschung,Bereich Naturstoff,38124 Braunschweig,德国
海因里希·斯坦梅茨
2Gesellschaft für Biotechnologische Forschung,Bereich Naturstoff,38124 Braunschweig,德国
古德伦·英格霍斯特
三德国哥廷根大学法库尔塔夫化学研究所生物分子库化学研究所,37077
策克
三德国哥廷根大学法库尔塔夫化学研究所生物分子库化学研究所,37077
赫尔穆特·维克佐雷克
1奥斯纳布吕克大学,Fachbereich Biologie/Chemie,Abteilung Tierphysiologie,49069 Osnabrück,德国
1奥斯纳布吕克大学,Fachbereich Biologie/Chemie,德国奥斯纳布吕克49069
2Gesellschaft für Biotechnologische Forschung,Bereich Naturstoff,38124 Braunschweig,德国
三德国哥廷根大学法库尔塔夫化学研究所生物分子库化学研究所,37077
通讯作者。 版权©2005 Huss等人;被许可方BioMed Central Ltd。 摘要
背景
V-ATP酶是一个普遍存在的异多聚质子转运蛋白家族。根据它们在许多真核细胞膜中的定位,它们为许多不同的运输过程提供能量。由于其功能失常与人类的各种疾病相关,因此阐明这种酶的特性以开发选择性抑制剂和药物是V-ATP酶研究的挑战之一。
结果
Archazolid A和B是最近发现的两种由黏菌产生的细胞毒性大内酯古菌属和尖杉酯A和B,两种由不同种类的黏菌产生的新型苯并内酯烯酰胺软骨菌属,对多种哺乳动物细胞系具有类似的抑制效果,如已建立的广链烷烃型V-ATP酶抑制剂康那霉素和巴非霉素。与plecomacrolides类似,这两种新的大环内酯也能防止细胞内溶酶体酸化,并抑制从烟草角线虫中肠纯化的V-ATP酶,曼杜卡六分仪,带IC50值为20–60 nM。然而,它们并不影响线粒体F-ATP酶或Na的活性+/K(K)+-ATP酶。为了确定这些新抑制剂的结合位点,我们使用了一种半合成的放射性标记的刀豆霉素衍生物,它只与V膜结合o个c亚单位。然而,古唑烷A可阻止巴非霉素A,如多烯甲酰环内酯类康那霉素A1和B1,放射性I-刀豆内酯A标记亚基c,苯内酯烯酰胺阿片霉素A不与平民内酯衍生物竞争。
结论
黏菌抗生素archazolid和apicularen是高效且特异的新型V-ATP酶抑制剂。虽然古唑啉至少部分地与聚甲丙烯内酯类药物巴非霉素和康那霉素共用一个结合位点,但阿昔洛林坚持一个独立的结合位点。
背景
空泡型ATP酶(V-ATP酶)是所有真核细胞内膜系统和许多动物细胞质膜中普遍存在的质子泵,它们在质膜中激发跨膜转运过程或调节相应隔间的pH值[1]. 它们是由膜结合质子转运V组成的异多聚酶o个复合物和催化V1朝向细胞溶质的复合物。近年来,越来越明显的是,V-ATP酶的功能失常与多种疾病有关,如骨质疏松症、男性不育或肾性酸中毒[2-4]. 因此,V-ATP酶被证明是生物医学研究的主题,甚至被认为是癌症药物治疗的潜在靶点[5]. 为了了解这些疾病的发展并为其治疗设计有效的药物,一方面需要获得对酶的作用模式以及已知的V-ATP酶抑制剂的最全面的了解,另一方面,寻找具有不同抑制特性的新型强效、特异性抑制剂。
最好的检测和确定的特异性V-ATP酶抑制剂是多烯甲内酯类巴非霉素[6]和康那霉素[7],两者通过与V结合在一起,在纳米摩尔浓度下起作用o个亚单位c[8-10]. 最近各种新的V-ATP酶抑制剂,如苯内酯烯酰胺[11]或软骨蛋白[12]已被描述(在[13])但迄今为止,尚未确定结合位点。仅对苯内酯烯酰胺-水杨酸乙酰胺而言,其结合位点与普利考马内酯不同[10]并且可能位于Vo个和V1复杂[14]. 在本报告中,我们介绍了由黏菌产生的两种抗生素,尖杉烯类和新的苯并内酯烯酰胺类[15,16]以及新型大内酯类化合物archazolids[17]然而,这两种都是高效和特异的V-ATP酶抑制剂,具有不同的作用模式和不同的结合位点。
结果和讨论
Archazolid和apicularen影响哺乳动物细胞系的活性
新型抗生素古唑烷和尖杉烷(图。)检查了它们对来自不同组织的各种哺乳动物细胞系的细胞生长的影响(表。). 几乎所有的IC50数值在毫摩尔范围内,与IC相当50连接霉素A和巴非霉素A的值1阿皮卡林B是唯一的例外,平均IC50值高出两个数量级。在维拉帕米的存在下,也测量了多药耐药细胞系KB-V1的生长抑制。当这种化合物使Pgp外排泵失活时,IC的比较50在存在和不存在维拉帕米的情况下获得的值显示了MDR1 Pgp将化合物从细胞中泵出的程度。选项卡中的数据研究表明,与太古宙不同,尖杉属植物是Pgp的不良底物。为了可视化抗生素的影响,PtK2(potoroo肾)细胞与抑制剂孵育,并对完整的酸性溶酶体进行染色(图。). 显然,在有尖杉酯A和古唑烷A的情况下,以及在有康乃霉素A和巴非霉素A的情况1(未显示)与未经药物处理的细胞相比,红色染色显示酸性溶酶体消失。对KB-3-1细胞进行了同样的观察(数据未显示)。这些结果首次表明,新抗生素,如康那霉素或巴非霉素,正在干扰溶酶体必需酸化剂V-ATP酶。与Tab中列出的单元格线不同。,PtK的增长2细胞并没有完全停止。A-498细胞(人类肾癌)也是如此。两种细胞系都长得像上皮细胞。细胞株对V-ATP酶抑制剂有明显的差异反应。对于A-431细胞(人类表皮样癌),显示出对EGF受体表达的依赖性[18].
表1
细胞系 | 原产地 | ArcA公司 | ArcB公司 | 阿皮亚 | ApiB公司 | 巴西金融协会1 | ConA公司 |
| | 集成电路50(毫微米) |
L-929型 | 小鼠结缔组织 | 0.81一 | 1.1一 | 4.5 | 620 | 3.2一 | 0.23一 |
第3年 | 大鼠胚胎成纤维细胞系 | 0.95 | 1.1 | 3.2 | 310 | 5.6 | 1.4 |
KB-V1型b条 | 人宫颈癌 | 48 | 35 | 23 | 1600 | 7.2 | 28 |
KB-V1型b条 | (在11μM维拉帕米存在下) | 2.3 | 1.5 | 7.9 | 540 | 4 | 2.7 |
A-594号 | 人肺癌 | 0.54 | 0.69 | 0.23c(c) | 310c(c) | 0.4 | 0.17 |
M1级 | 小鼠胚胎性成纤维细胞系 | 0.27 | 0.35 | 1.4 | 190 | 2.6 | 0.56 |
抗生素的结构.A,I-环己内酯A(9-O(运行)-[p-(三氟甲基二氮苯基)-苯甲酰基]-21,23二氧基-23-[125一] 碘-刀豆醇A)。B、 古唑烷A和B.C、尖杉烷A和B。
新型抑制剂对溶酶体酸化的抑制作用Potoroo肾细胞(PtK2)用V-ATP酶抑制剂处理4小时,用嗜酸试剂LysoTracker染色溶酶体(红色),用MitoTracker(A,绿色)染色线粒体,或用Hoechst 33258(B,蓝色)染色细胞核。对照细胞显示出许多红色小泡,表明存在酸性溶酶体,而在用抑制剂处理的细胞中,只能观察到很少的红点。
V-ATP酶对古唑烷和尖杉烷高度敏感
为了验证我们的假设,我们测试了古唑烷A和B以及尖杉酯A和B对烟草角线虫中肠纯化的V-ATP酶全酶的抑制效果。如图所示。,在约20 nM的浓度下,两种古菌唑类化合物对纯化的酶的抑制作用最大为一半,相当于IC50值约为0.8 nmol/mg蛋白质。Apicularen A和B分别在约20 nM和60 nM的浓度下对半最大限度地抑制纯化酶,相当于IC50每毫克蛋白质约0.8 nmol和2.4 nmol。这些抑制值与检测到的普勒考马利内酯类凹霉素A、巴非霉素A的浓度范围相同1和B1苯并内酯烯酰胺-水杨酸甲酰胺在约10 nM时均表现出半最大抑制作用,IC50约0.5 nmol/mg蛋白质[10]. 因此,这些新化合物是高效的V-ATP酶抑制剂。
V的抑制1/V(V)o个抗生素的全酶活性。数值代表三种独立酶制剂的平均值±S.D。Archazolid A(开环)、ArchazolidB(实心环)、apicularen A(开三角形)和apicularent B(实心三角形)。无抑制剂对照组的比酶活性为1.5±0.2μmol*mg-1*最小值-1.
这些发现证实了我们的假设,即古唑烷和尖杉酯引起的生长抑制和形态变化是由于它们对V-ATP酶的抑制作用。与其他药物相比,Apicularen B的活性稍低,但差异远小于细胞培养分析的预期。这种差异可能是由于其额外的N个-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖残留。
虽然大内酯(archazolid A和B)和苯并内酯烯酰胺(apicularen A和B,水杨酰亚胺)被证明是培养哺乳动物细胞的有效生长抑制剂,但它们都不能抑制细菌生长,而只有Archazolit对真菌表现出弱活性;此外,苯内酯烯酰胺-水杨酰亚胺有效抑制哺乳动物的V-ATP酶,但对真菌的V-ATP酶类没有任何抑制作用,例如酿酒酵母或粗糙脉孢菌[11,15,17]. 由于烟草角线虫V-ATPase对所有这些抗生素都非常敏感,且以毫克为单位,因此它似乎是进一步研究古唑啉和苯内酯烯酰胺抑制机制的合适模型。
Archazolid和apicularen似乎不抑制F-和P-ATP酶
显示了V-ATP酶对这两种新型抗生素的高度敏感性,我们还想评估它们对F型和P型ATP酶的抑制作用。在各种细胞培养物中,生长在纳米摩尔浓度下受到抑制(见上文)。因此,我们问,1μM的浓度是否足以抑制V-ATP酶活性,并且明显高于IC50生长实验中的数值也会影响F-ATP酶,如线粒体ATP合成酶或P-ATP酶,例如质膜Na+/K(K)+-ATP酶。因此,我们从小鼠心脏制备富含线粒体的粗膜,从牛肉心脏制备亚线粒体颗粒,以及高纯度钠+/K(K)+-猪肾中含有ATP酶的质膜,并测试了阿奇唑胺和尖杉酯的抑制潜力。为了检测F-ATP酶的活性,我们使用了它的特异抑制剂叠氮或寡霉素[19]和哇巴因或钒酸盐被用作钠的特定抑制剂+/K(K)+-ATP酶[20,21]. 而小鼠和牛肉心脏制剂中的ATP酶活性被特定的F-ATP酶抑制剂叠氮或寡霉素降低到25%左右,新的抗生素阿昔唑啉和阿昔洛林以及已建立的特异性V-ATP酶抑制剂康那霉素和巴非霉素仅将活性略微降低至约80%(图。). 将抑制剂浓度增加到10μM对古唑啉和尖杉酯没有实质性影响。如表所示。,纳+/K(K)+-1 mM钒酸盐和1 mM哇巴因可完全抑制ATP酶活性,而阿昔洛林A和阿昔唑A仅对其有轻微影响。对于已建立的V-ATP酶抑制剂,concanamycin A、,证实了众所周知的事实,即在微摩尔浓度范围内,齐墩果酸抗生素开始抑制P-ATP酶[6,7]. 综上所述,我们对F-和P-ATP酶的研究结果强烈表明,阿奇唑胺和阿奇拉仑是特异性V-ATP酶抑制剂。
表2
钠的抑制+/K(K)+-抗生素对猪肾ATP酶的影响
| 比活度μmol*mg-1*最小值-1 |
|
|
| 实验1 | 实验2 |
无抑制剂控制 | 19 | 15.9 |
钒酸盐0.1 mM | 2 | 未注明日期。 |
钒酸盐1 mM | 0 | 0 |
哇巴因0.1 mM | 5.2 | 未注明日期。 |
哇巴因1 mM | 0 | 0 |
康那霉素A 1μM | 16.7 | 12.7 |
尖杉属A 1μM | 17.3 | 13.2 |
archazolid A 1μM | 17.1 | 12.2 |
抑制小鼠心脏粗膜和牛肉心脏亚线粒体F-ATP酶活性值表示三个(小鼠心脏)或四个(牛肉心脏)独立实验的平均值±S.D。,分别是。不含抑制剂的比ATP酶活性为0.16±0.05μmol*mg-1*最小值-1小鼠心脏粗膜(蓝色柱)和6.1±0.35μmol*mg-1*最小值-1在牛肉心的亚线粒体颗粒中(红色柱)。孤立柱表明,这些条件只针对老鼠或牛肉心进行了测试。
Archazolid和apicularen与V-ATP酶的不同部分结合
为了更详细地研究V-ATP酶的抑制模式,我们使用了康那霉素的半合成衍生物,9-O(运行)-[第页-(三氟乙基二氮杂环苯基)苯甲酰基]-21,23二氧基-23-[125一] 碘-刀豆醇甲(I-刀豆醇乙,图。)它已经被成功地用于明确地鉴定V-ATP酶中的多聚甲内酯的结合位点[10]. 在我们之前的研究中,我们已经表明Vo个c亚单位是V-ATP酶的唯一亚单位,该酶被I-刀豆醇甲标记,这种标记可以通过与刀豆霉素A、巴非霉素A等多烯甲内酯类药物预培养来防止1和B1在一个可比较的紫外线辐射实验中,I-刀豆醇a对亚单位c的标记通过与古唑烷a的预培养完全消除(图。)从而表明,plecomacrolides和archazolid A在c亚单位中至少部分共享相同的结合位点。
用全环戊烷类抗生素保护I-concanolide A的结合位点。Tricine-SDS-PAGE凝胶。车道1考马斯蓝染色;车道2–8,凝胶暴露于磷屏后的放射自显影。将20μg V-ATPase样品在含有100μM或10μM巴非霉素B的冰上预培养60分钟1(车道3和4),100μM或10μM角质层A(车道5和6)和100μM或10μM archazolid(7号和8号车道)分别是。然后添加I-刀豆醇甲,使最终浓度达到10μM。将混合物在冰上再培养60分钟,然后用紫外线处理。带预孵育但不带效应器的对照(车道2).
与阿奇唑胺不同,苯并内酯烯酰胺尖杉酯A似乎不会干扰conconolide A衍生物标记亚基c,因为获得的信号几乎与对照组一样强(图。). 因此,我们建议尖杉酯结合到一个位置,该位置与plecomacrolides的位置有很大不同。这一结果与我们之前的观察结果一致,即苯内酯烯酰胺-水杨酰亚胺不与c亚基结合,并支持我们的结论,即苯内酯烯酰胺的抑制位点和机制与普利考马内酯不同[10].
结论
新型抗生素古菌唑和尖霉素是一种高效、特异的新型V-ATP酶抑制剂。尽管archazolid和plecomacolides的结构不同,但它们可能具有类似的抑制模式,并且它们在V-ATP酶中的结合位点至少有相当大的重叠。相比之下,具有相同抑制效果的尖杉酯不干扰I-concanolide A,因此表明其抑制模式不同于普利考马内酯。
方法
酶制剂
V-ATPase全酶的纯化如其他地方发表的一样[10]. 含钠高纯度膜的制备+/K(K)+-猪肾ATP酶遵循约根森方案[22]通过差速离心、在ATP存在下与SDS孵育和在固定角度转子中的蔗糖密度梯度离心这三个主要步骤,产生了与作者报道的相同范围的特异性酶活性。所得样品在-20°C下冷冻保存。为了制备粗膜提取物,用pH 8.1的冰镇缓冲液清洗三次三只小鼠的心脏,该缓冲液由0.25M蔗糖、5mM Tris-HCl、5mM EDTA和10mM Pefabloc SC(Biomol)组成,在5ml该缓冲液中均质,并在4℃、233000×克最大值在固定角度转子中。将所得颗粒再次悬浮在5 ml pH 7.5的缓冲液中,该缓冲液由5 mM Tris-MOPS(3-吗啉丙基磺酸)、10 mM NaCl、10 mM-Pefabloc SC、9.6 mM 2-巯基乙醇、0.53 mM EGTA和0.1%Triton X-100组成。取一等分样品进行蛋白质测定后,将10%牛血清白蛋白(最终浓度)添加到悬浮液中,然后将其储存在冰上,直到进行活性测定。按照Smith的方案,通过差速离心法分离牛肉心线粒体,使用搅拌机将肉糜均质[23]. 初始均质缓冲液由250 mM蔗糖、10 mM KH组成2人事军官4、10 mM Tris、2 mM EGTA和2 mM MgCl2pH7.4,在没有EGTA的相同培养基中进行进一步的分离程序[24]. 线粒体经超声处理后获得线粒体下颗粒。
抗生素
如别处所述,合成了标记的I-concanolide A[25]. Archazolid A和B、apicularen A和B,concanamycin A和bafilmycin A1和B1根据公布的程序进行了隔离[15-17,26]. 为了避免对物质稳定性有重大影响的冻融循环,二甲基亚砜储备溶液的等分样品在-70°C下储存,使用前仅解冻一次。用分光光度法测定储备溶液的实际浓度。
ATP酶分析
最终体积为160μl、pH值为8.1的标准V-ATP酶分析包括3-4μg蛋白质、50 mM Tris-MOPS、3 mM 2-巯基乙醇、1 mM MgCl2,20 mM KCl,0.003%C12E类10、20 mM NaCl和3 mM Tris-HCl。在30°C下预孵育5分钟后(有或无抑制剂),添加1 mM Tris-ATP,孵育2分钟后,将试管置于液氮中停止反应。使用Na进行分析+/K(K)+-ATP酶在160μl中进行,pH值为7.5,包含0.5μg蛋白质、50 mM Tris-MOPS、5 mM咪唑、0.2 mM EDTA、4 mM MgCl220 mM KCl和100 mM NaCl。在37°C下预孵育5分钟后(有或无抑制剂),添加3 mM Tris-ATP,孵育1分钟后,将试管置于液氮中,停止反应。使用小鼠心脏的粗膜进行的检测体积为160μl,pH值为7.5,由10μg膜蛋白、50 mM Tris-MOPS、3 mM 2-巯基乙醇、1 mM MgCl组成220 mM KCl、100 mM NaCl、0.02%Triton X-100和0.3 mg/ml BSA。在30°C下预培养5分钟后,添加1 mM Tris-ATP,培养10分钟后,将试管置于液氮中,停止反应。在最终体积为1 ml、pH值为8.0的条件下,对牛肉心亚线粒体颗粒进行ATP酶分析。样品中含有9–12μg蛋白质、50 mM Tris、50 mM-KCl和2.5 mM MgCl2在预孵育5分钟后,添加或不添加抑制剂,添加5 mM ATP,在额外孵育15分钟后,通过添加0.4 ml 20%TCA停止反应。
V-ATP酶、钠测定中产生的无机磷酸盐+/K(K)+-根据Wieczorek的方案测量ATP酶和小鼠心脏F-ATP酶等. [27]而牛心F-ATP酶测定中产生的无机磷的测定遵循Fiske和Subarrow方法[28]使用抗坏血酸作为还原剂。
标签
将20微克样品与抑制剂在冰上预孵育1小时。然后添加标记的I-concanolide A,使最终浓度达到10μM。在没有效应器的情况下运行控件。将体积为40μl的混合物在冰上再培养1小时,然后在冰上用紫外线(366 nm)处理3分钟。紫外线照射后,10μl 5倍样品缓冲液[10]添加,将混合物在95°C下加热45 s,在冰上冷却,并进行Tricine-SDS-PAGE(16.5%T,3%C分离凝胶和10%T,3%C间隔凝胶[29])考马斯染色。将凝胶密封在塑料包装中,然后将其暴露在磷化屏中长达72小时,并借助磷化成像仪(分子动力学)进行分析。
细胞培养和生长抑制试验
细胞系取自德国微生物和细胞培养物收藏中心(DSMZ)。细胞系3Y1和M1(来自129/Ola×C57BL/6小鼠的胚胎成纤维细胞[30])这是日本福冈市的S.Miyamoto博士和德国布伦瑞克市的P.F.Mühlradt博士慷慨赠送的礼物。所有细胞系均在供应商推荐的条件下培养。在微量滴定板中测量生长抑制。将120μl悬浮细胞(50000/ml)等分试样加入60μl连续稀释的抑制剂中。5天后,使用MTT分析测定生长[31].
细胞染色
PtK公司2(ATCC CCL-56)或KB-3-1细胞生长在四孔板的玻璃盖玻片(直径13 mm)上。将指数生长的细胞与抑制剂孵育4小时,并用50 nM LysoTracker Red DND-99对溶酶体进行染色,用75 nM MitoTracker Green FM(均来自分子探针)在37°C下对线粒体进行染色30分钟。用Hoechst 33258(5μg/ml)对细胞核进行染色。盖玻片倒置安装在PBS中,用指甲油固定,并在荧光显微镜下观察。
其他程序
五龄幼虫烟草天蛾(鳞翅目,鞘翅科),体重6–8 g,在27°C的长日照条件下(16小时光照),使用根据Bell改良的合成饲料饲养等[32].
作者的贡献
MH纯化了V-ATP酶和Na+/K(K)+-ATP酶,进行酶和标记分析,并起草手稿。FS对古菌进行发酵并进行细胞培养研究。BK发酵牛心尖蛋白并检测牛心线粒体F-ATP酶活性。RJ分离出尖蛋白。HS分离的古唑烷类。GI和AZ纯化了多聚甲内酯并合成了I-凹果内酯A。HW参与了本研究的构思和设计,并起草了手稿。所有作者阅读并批准了最终手稿。
致谢
我们要感谢Nina Dankers、Martin Dransmann、Petra Haunhorst、Birte Engelhardt和Bettina Hinkelmann提供的出色技术援助。这项工作得到了德国联邦科学院(SFB 431:H.W.)和化学工业基金会(A.Z.)的资助。
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