Обзор белка Carbapenem-hydrolyzing beta-lactamase KPC-2

Введение

На самом деле, мой обзор был посвящен бактерии Klebsiella variicola. Однако на Uniprot не так много аннотированных белков этой бактерии (я ориентировался на "Annotation score" и искал белки с Annotation score равным 5), кроме того почти все из этих белков не относятся к референсному протеому и предсказаны на основе гомологии. Поэтому я решил обратиться к более известному и более изученному родственному организму Klebsiella pneumoniae. Klebsiella pneumoniae — это условно-патогенный микроорганизм, привлекающий значительное внимание в связи со своей способностью вызывать тяжелые, угрожающие жизни инфекции. Основным местом локализации K. pneumoniae в организме человека является желудочно-кишечный тракт, реже — носоглотка; из этих очагов бактерия может проникать в кровоток или другие ткани, вызывая инфекционный процесс. До широкого распространения антибиотиков K. pneumoniae была основным возбудителем внебольничной пневмонии (ВБП), особенно среди пациентов с сахарным диабетом и хроническим алкоголизмом. С началом применения антибиотиков она стала одной из главных причин госпитальных (нозокомиальных) инфекций, а также значимым фактором риска развития тяжелых инфекционных заболеваний в обществе. Меня заинтересовали факторы патогенности этой бактерии (капсулы; сидерофоры для поглощения железа; пили; липополисахариды; ферменты, разрушающие антибиотики и т.д.). Я решил выбрать какой-нибудь белок, отвечающий за резистентность к антибиотикам. Решил остановиться на бета-лактамазах, ввел следующий запрос: (taxonomy_id:570) AND "antibiotic resistance" AND (chebi:"CHEBI:35627"), выбрал записи из Swiss-Prot и оставил лишь те, у которых Annotation score равен 5. В итоге остановился на белке KPC-2 (UniProt_id — Q9F663).

Краткая справка по белку

KPC-2 — это бета-лактамаза(а точнее, карбапенемаза) класса А, обеспечивающая устойчивость к бета-лактамным антибиотикам, включая пенициллины, цефалоспорины и карбапенемы. Особо интересной является ее способность расщеплять карбапенемы, которые устойчивы к большинству типов бета-лактамаз, включая бета-лактамазы класса А. Используя UniProt можно узнать несколько интересных фактов об этом белке. Изначально выделили 2 белка KPC-1 и KPC-2 из двух разных Клебсиелл, впоследствии оказалось, что эти белки идентичны. KPC-2 ингибируется клавулановой кислотой и тазобактамом, а также циклическимии боронатами, но не ингибируется EDTA. Посчитав Константу специфичности для каждого из субстратов, я пришел к выводу, что фермент наиболее специфичен к нитроцефину. Нитроцефин — это хромогенный цефалоспориновый субстрат, используемый в микробиологии для быстрого обнаружения бета-лактамаз. В принципе это логично, хромогенный субстрат должен быть спроектирован таким образом, чтобы фермент эффективно взаимодействовал с ним и при небольших концентрациях. Если говорить непосредственно об антибиотиках, то KPC-2 наиболее эффективен против цефалоридина (наибольшая константа специфичности).

Схема реакции:

Поисковые запросы

1)Я решил узнать насколько широко распространены карбапенемазы за пределами рода Klebsiella, для этого ввел следующий запрос: carbapenemase OR "Carbapenem-hydrolyzing beta-lactamase" AND (chebi:"CHEBI:35627") NOT (taxonomy_name:KLebsiella) выбрал записи только из Swiss-Prot, всего получилось 17 записей. Карбапенемазы распространены среди бактерий 2 филумов: FCB и Pseudomonadota (куда относится и Klebsiella pneumoniae).

2)Мне было интересно узнать, какие еще ферменты, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, имеются у представителей рода Klebsiella. Для этого я ввел следующий запрос: (taxonomy_name:Klebsiella) AND "antibiotic resistance" NOT beta-lactamase, выбрал записи только из Swiss-Prot. Всего получилось 23 записи. У представителей рода Klebsiella имеются ферменты, направленные на инактивацию таких антибиотиков, как аминогликозиды, полимиксины, амфениколы.

3)Было интересно узнать какие еще белки ингибируются циклическими боронатами. Для этого я ввел запрос: (cc_activity_regulation:"cyclic boronates") OR (cc_activity_regulation:vaborbactam) OR (cc_activity_regulation:taniborbactam) NOT (accession:Q9F663). Запрос выдал лишь 1 запись — бета-лактамаза класса C из E.coli. Циклические боронаты, как ингибиторы бета-лактамаз, еще не так сильно распространены и в клинической практике применяются лишь в некоторых случаях. Возможно, именно поэтому исследования с их участием не так распространены, как, например, с клавулановой кислотой.

Аннотации

1) Кинетические характеристики — ECO:0000269. Это значит аннотация основана на экспериментальных данных, опубликованных в научной литературе (PubMed:33257320). Такой аннотации доверять можно, она основана на экспериментальных данных

2) Принадлежность к бета-лактамазам класса А — ECO:0000305. Это аннотация куратором, такой тип анотации также надежен, однако все же в меньшей степени, чем анотация, основанная на экспериментальных данных.

3) 129 ак является донором электронов — ECO:0000250. Это аннотация, перенесенная с другого, схожего белка. Такие анотации обычно сопровождаются ссылками на белок, при помощи которого была проаннотированна эта последовательность, в данном случае — UniProtKB:P62593, у P62593 данная запись аннотирована на экспериментальных данных. Такой тип аннотации также в высокой степени надежен, если два белка схожи, имеют одинаковые структуру и аминокислоты в активном центре, то логично предположить, что эти аминокислоты имеют одинаковую функцию.