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MRSA 박테리아는 많은 항생제에 내성이 있는 포도상구균 감염을 일으킵니다. 이 박테리아는주요 원인신뢰할 수 있는 출처병원의 세균 감염. 그들은 종종 피부와 연조직의 폐렴과 감염을 유발합니다.
MRSA에 대한 현재 치료법 에는 항엽산제인 트리메토프림(TMP)과 설파메톡사졸로 알려진 항생제의 조합이 포함됩니다. 이러한 치료법표적신뢰할 수 있는 출처MRSA의 세포 복제에 필수적인 효소 dihydrofolate reductase (DHFR). 이 효소가 작동하려면 환원 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트(NADPH)라는 보조 인자가 필요합니다.
DHFR 억제제는 자물쇠와 열쇠와 유사하게 작용합니다. 그들은 정확히 맞는 분자만 들어갈 수 있는 3D 구조에 맞춰 MRSA 효소에 결합합니다.
그러나 시간이 지남에 따라 MRSA가 돌연변이 되어 이러한 약물에 내성 이 생겼습니다. 그 이유 중 하나는 잘 알려진 F98Y 돌연변이로 DHFR 효소의 98번째 아미노산에 약간의 변화를 일으켜 궁극적으로 억제제가 자물쇠와 열쇠처럼 결합할 수 없게 만듭니다.
얼마 동안 과학자들은 이 돌연변이가 약물 내성을 유발하는 기본 메커니즘을 매핑할 수 없었습니다. 그러나 그들은 이러한 돌연변이가 MRSA를 치료에 대한 내성으로 만드는 방법을 확인하면 새로운 돌연변이를 예측하고 MRSA를 보다 효과적으로 표적으로 하는 신약을 개발하는 데 도움이 된다는 것을 알고 있습니다.
최근 연구에서 노스캐롤라이나 주 더럼에 있는 듀크 대학교의 연구원들은 MRSA의 돌연변이가 특정 치료법에 대한 내성을 부여하는 방법을 조사했습니다.
그들은 MRSA의 내성이 DHFR 돌연변이의 촉매인 NADPH 보조인자에 대한 키랄성 선호를 유발하는 F98Y 돌연변이에서 비롯된다는 것을 발견했습니다.
키랄성 은 분자의 손 모양을 말하므로 겹치지 않고 거울 이미지를 오버레이할 수 없습니다. 예를 들어, 사람이 엄지손가락이 다른 면에 나와 있지 않으면 왼손과 오른손을 오버레이할 수 없는 것과 같은 방식입니다.
"이것은 억제제를 피하기 위해 보조 인자의 키랄성을 이용하는 효소의 첫 번째 예입니다." 라고 Duke University의 Donald Lab 대학원생인 Graham Holt 가 Medical News Today 에 말했습니다 . "이제 이러한 일이 발생하는 것을 보았으므로 더 나은 억제제를 개발하기 위한 계산 전략에 정보를 제공하는 데 도움이 될 것입니다."
이 연구는 PLOS Computational Biology 저널에 게재 됩니다.
뒤집힌 키랄성
연구원들은 처음 에 컴퓨터 구조 기반 단백질 설계를 위한 프로그램 모음인 OSPREY(Open Source Protein REdesign for You)를 사용하여 MRSA의 F98Y 돌연변이를 예측하려고 시도했습니다 . 결과를 얻지 못한 일련의 테스트 후에 그들은 MRSA의 시작 구조를 재검토하기로 결정했습니다.
그들은 그것을 사용하여결정학신뢰할 수 있는 출처, 단백질을 결정화한 다음 결정에서 3차원 분자 구조를 얻으려고 시도하는 방법입니다. 과학자들은 X선의 산란을 사용하여 전자 밀도 지도를 개발할 수 있습니다.
이 지도는 빈 공간에 있는 구름과 유사하며 더 두껍고 얇은 영역이 분자 원자의 위치를 나타냅니다.
이 전자 밀도 지도를 사용하여 계산 방법은 단백질의 잠재적인 분자 및 원자 구조가 이러한 윤곽에 가장 잘 맞는지를 예측할 수 있습니다.
연구원들은 구름과 같은 전자 밀도 지도에 들어갈 NADPH 단백질의 분자 구성을 예측하기 위해 다양한 프로그램을 사용했습니다. 그들은 NADPH 보조 인자 분자가 전자 밀도 데이터의 어딘가에 있다는 것을 알고 있었기 때문에 프로그램에 오른손 구성을 사용하여 미리 정의된 공간의 윤곽 내에서 가장 잘 맞는지 시도하도록 요청했습니다.
그러나 프로그램은 NADPH 보조인자 분자를 이 오른쪽 구성의 공간에 맞출 수 없었기 때문에 이를 왼쪽 구성으로 뒤집었고 궁극적으로 더 나은 예측 적합을 초래했습니다.
연구자들은 프로그램이 예측된 적합성을 개선하기 위해 분자를 "뒤집었다"는 것을 깨닫지 못했습니다. 뒤집힌 키랄성을 모르고 연구원들은 OSPREY로 다시 단백질 분석을 진행했습니다.
"단백질 디자인은 키랄성과 같은 모든 종류의 것들에 매우 민감합니다."라고 제1 저자인 James B. Duke 컴퓨터 과학 및 수학, 화학 및 생화학의 석좌 교수 인 Bruce R. Donald 가 MNT에 말했습니다.
“저항성 돌연변이를 예측할 수 있는지 알아보기 위해 단백질 디자인을 사용하여 구조를 분석하려고 하면 문제가 발생했습니다. 그런 다음 우리는 NADPH 분자가 뒤집힌 것을 발견했습니다!” 그는 덧붙였다.
저자들은 이렇게 뒤집힌 키랄성이 저항에 대한 단백질의 구조적 기초를 변화시켰다고 말합니다. 이중 인자 인증에서와 마찬가지로, 그들은 잘 알려진 단일 효소 돌연변이가 보조 인자 결합 부위를 뒤집고 MRSA의 내성 증가에 기여한다는 것을 발견했습니다.
"이것은 다소 강렬한 실험을 촉발시켰습니다."라고 Donald 박사는 말했습니다. "최종 시험에서 우리는 보조 인자가 뒤집혔을 뿐만 아니라 예상 모델에서 뒤집히고 순환된다는 것을 발견했습니다. 즉, 추가 링이 있음을 의미합니다."
"일단 화학이 이해되었다는 확신이 섰을 때, 우리는 이 발견의 가능한 생물학적 및 생화학적 의미를 이해하기 위해 더 많은 실험과 더 많은 계산을 수행했습니다."라고 그는 설명했습니다.
이러한 실험과 계산 연습 동안 연구원들은 뒤집힌 키랄성을 설명하면 결과가 억제제 효능의 실험적 측정과 더 잘 일치한다는 것을 발견했습니다.
뒤집힌 키랄성은 약물 내성을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다
관찰된 키랄 회피를 일으킨 원인에 대한 질문에 대해 Donald 박사는 다음과 같이 말했습니다. “짧은 대답은 우리가 모른다는 것입니다. 우리는 저항 돌연변이 F98Y가 보조 인자 결합 부위를 리모델링하여 NADPH의 뒤집힌/고리화된 버전을 선호한다고 믿습니다. 그리고 동시에 효소의 활성 부위를 변경하여 [약물이 효소에 결합하는 방식을 변경합니다.]
“그것을 분해해 보겠습니다. 일부 약물 분자에는 키랄 중심(4개의 고유한 원자 또는 그룹이 부착된 원자]도 있습니다. 단백질의 [일반] 버전에서 두 종류의 키랄성(즉, 단백질의 거울 이미지)을 가진 약물(우리가 연구한 클래스에서)이 단단히 결합하고 둘 다 효소를 억제합니다.”라고 그는 설명했습니다.
“그러나 이 내성 돌연변이를 가진 효소에서는 특정한 '손'을 가진 약물만이 단단히 결합할 수 있습니다! 이전에 효과가 있었던 다른 손으로 사용하는 약물은 이제 훨씬 덜 효과적입니다.”
– 브루스 도널드 박사
연구자들은 전환된 NADPH 키랄성이 MRSA의 약물 내성에 기여할 수 있으며 과학자들이 박테리아에 대한 새로운 약물을 설계할 때 이러한 키랄 회피를 고려해야 한다고 결론지었습니다.
그들은 그들의 증거가 강력한 계산 및 생화학적 증거를 기반으로 하지만 이러한 메커니즘이 살아있는 유기체에서 실제로 발생하는지 여부와 그 중요성의 정도를 결정하기 위해서는 생체 내 실험이 필요하다는 점에 주목했습니다.
Donald 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리의 분석은 기본적으로 열역학에 관한 것입니다. 그러나 우리는 중요한 구성 요소가 역학 (이러한 반응과 변화가 발생하는 속도)이라고 생각합니다. 향후 이를 측정하여 완전한 답변을 드릴 계획입니다.”
MNT 가 이러한 발견이 어떻게 약물 내성 박테리아에 대한 더 나은 치료법의 개발로 이어질 수 있는지 물었을 때 Donald 박사는 다음과 같이 말했습니다 .
“대부분의 약물 설계는 반응성이 있어 저항 돌연변이가 임상 환경에서 나타날 때까지 기다렸다가 이를 퇴치하려고 합니다. 이 논문에서와 같이 새로운 내성 메커니즘을 발견할 때 희망은 우리가 그 이해를 사용하여 미래에 나타날 새로운 내성 돌연변이를 예측하고 심지어 실험실에서 약물이 아직 개발되고 있는 동안에 대응할 수 있다는 것입니다.”
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