Análises estruturais e funcionais da proteína conferindo resistência à equinomicina Ecm16 de Streptomyces lasalocidi

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7980 (2023) Citar este artigo

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A equinomicina é um antibiótico bisintercalador de DNA de produto natural. O agrupamento de genes biossintéticos de equinomicina em Streptomyces lasalocidi inclui um gene que codifica a proteína de auto-resistência Ecm16. Aqui, apresentamos a estrutura cristalina de resolução de 2,0 Å de Ecm16 ligada ao difosfato de adenosina. A estrutura de Ecm16 se assemelha muito à de UvrA, o componente do sensor de danos ao DNA do sistema de reparo por excisão de nucleotídeos procarióticos, mas Ecm16 não possui o domínio de ligação de UvrB e seu módulo de ligação de zinco associado encontrado em UvrA. O estudo de mutagênese revelou que o domínio de inserção de Ecm16 é necessário para a ligação do DNA. Além disso, a sequência de aminoácidos específica do domínio de inserção permite que Ecm16 diferencie o DNA ligado à equinomicina do DNA normal e ligue a ligação do substrato à atividade de hidrólise de ATP. A expressão de ecm16 no hospedeiro heterólogo Brevibacillus choshinensis conferiu resistência contra equinomicina e outros antibióticos de quinomicina, incluindo tiocoralina, quinaldopeptina e sandramicina. Nosso estudo fornece uma nova visão sobre como os produtores de antibióticos bisintercaladores de DNA afastam os compostos tóxicos que produzem.

Os antibióticos de quinomicina agem por ligação não covalente à dupla hélice1 do DNA. Eles são bisintercaladores de DNA, compostos que se ligam reversivelmente ao DNA duplex inserindo um par de grupos de anéis aromáticos entre os pares de bases adjacentes do DNA. Tem havido muito interesse nesta família de compostos devido à sua potente atividade antimicrobiana e antitumoral, culminando em um grande corpo de conhecimento bioquímico, estrutural e clínico2. No entanto, detalhes mecanísticos sobre resistência bacteriana contra bisintercaladores de DNA permanecem limitados. Embora nenhum elemento de resistência contra esses compostos tenha sido descoberto até agora em bactérias patogênicas, é prudente identificar e elucidar os mecanismos de resistência que estão presentes no ambiente natural. O conhecimento dos mecanismos básicos de resistência permitirá aos pesquisadores desenvolver novas estratégias terapêuticas antes que a resistência à quinomicina se torne um problema clínico.

Os produtores de antibióticos de quinomicina normalmente contêm um ou mais genes de auto-resistência, que são encontrados dentro do grupo de genes biossintéticos do antibiótico ou em outro lugar no genoma. Por exemplo, a bactéria produtora de triostina contém um gene que codifica para um transportador ABC3, e o produtor de tiocoralina contém genes que codificam para um transportador ABC, bem como uma proteína de sequestro de tiocoralina4,5. Curiosamente, os produtores de quinomicina também contêm um gene para um UvrA -like em seu agrupamento de genes biossintéticos (Tabela 1). UvrA é uma enzima de reparo de DNA da via universal de reparo por excisão de nucleotídeos procarióticos (NER). Resumidamente, UvrA reconhece o dano ao DNA e recruta UvrB para o local da lesão. UvrB recruta UvrC que cliva a ligação fosfodiéster oito nucleotídeos a montante e até cinco nucleotídeos a jusante do nucleotídeo modificado. Em seguida, UvrC recruta a helicase UvrD que desloca o fragmento de DNA clivado. A DNA polimerase I sintetiza o trecho ausente de DNA usando a fita complementar não danificada como molde e a DNA ligase sela as quebras, completando assim o reparo6.

A equinomicina é um prototípico bisintercalador de DNA produzido por vários actinomicetos, incluindo Streptomyces echinatus e Streptomyces lasalocidi (anteriormente conhecido como S. lasaliensis)7,8,9. É um depsipeptídeo cíclico que contém dois grupos quinoxalina e uma ponte tioacetal incomum (Fig. 3)10. A equinomicina apresenta atividade antimicrobiana potente contra Staphylococcus aureus resistente à meticilina e enterococos resistentes à vancomicina11,12, mas não é usada clinicamente devido a problemas de solubilidade e toxicidade. O agrupamento de genes biossintéticos da equinomicina de S. lasalocidi contém genes que codificam para enzimas que sintetizam o grupo quinoxalina, enzimas que constroem o esqueleto peptídico e genes que codificam para proteínas com função desconhecida13. Uma das proteínas funcionalmente não caracterizadas é a Ecm16, que foi postulada como fornecendo autoproteção contra a equinomicina com base na identidade de sequência (~ 30%) que compartilha com as proteínas UvrA procarióticas que funcionam na via NER13.