Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Тиофенсульфонамидные соединения являются мощными и специфичными ингибиторами чувствительных к кворуму вибрионов регуляторов LuxR/HapR, которые блокируют их активность in vivo, тем самым предотвращая транскрипцию генов вирулентности, подвижности и биопленок. В этом протоколе подробно описано, как эти соединения синтезируются, моделируются in silico и анализируются in vivo на активность против LuxR/HapR.
Бактерии определяют численность местной популяции с помощью чувства кворума, метода межклеточной коммуникации, широко используемого для контроля поведения бактерий. У видов вибрионов регуляторы чувства главного кворума LuxR/HapR контролируют сотни генов, чувствительных к кворуму, многие из которых влияют на вирулентность, метаболизм, подвижность и многое другое. Тиофенсульфонамиды являются мощными ингибиторами LuxR/HapR, которые связываются с карманом лиганда в этих факторах транскрипции и блокируют экспрессию генов, чувствительных к кворуму. Этот класс соединений послужил основой для разработки набора простых, надежных и образовательных процедур для студентов колледжа, чтобы усвоить свои навыки в области химии и биологии с использованием модели CURE: исследовательского опыта бакалавриата на основе курса. Описаны оптимизированные протоколы, которые включают в себя три этапа обучения на итеративной и междисциплинарной платформе для вовлечения студентов в годичное CURE: (1) разработка и синтез новых низкомолекулярных ингибиторов на основе ядра тиофенсульфонамида, (2) использование структурного моделирования для прогнозирования аффинности связывания с мишенью и (3) анализ соединений на эффективность в микробиологических анализах против специфических белков Vibrio LuxR/HapR. Описанный репортерный анализ, проведенный для E. coli , успешно предсказывает эффективность соединений против целевых белков в нативных видах Vibrio .
Бактерии определяют плотность популяции и тип близлежащих клеток с помощью процесса межклеточной коммуникации, называемого чувством кворума (QS)1. Различные клады бактерий используют QS для контроля различных форм поведения, таких как подвижность, образование биопленки, секреция фактора вирулентности и многое другое. Белки и сигналы, участвующие в QS, сильно различаются у разных бактерий. У видов Vibrio сигнальная система QS преимущественно использует мембраносвязанные гибридные рецепторы гистидинкиназы, которые распознают специфические родственные низкомолекулярные сигналы, называемые аутоиндукторами2 (рис. 1). Эти рецепторы контролируют поток фосфатов через систему к регулятору ответа, который транскрибирует малые РНК. Производство мРНК изменяет выработку чувствительного регулятора главного кворума, который определяется как консервативная группа белков, объединенных под общим названием LuxR/HapR3. Таким образом, при низкой плотности клеток мРНК, кодирующая LuxR/HapR, разрушается за счет нацеливания на мРНК, а при высокой плотности клеток белок LuxR/HapR продуцируется на максимальных уровнях (рассмотрено в Ball et al.3).
Группа белков LuxR/HapR принадлежит к большой группе белков TetR, которая определяется наличием спирали-поворотной спирали в ДНК-связывающем домене, образованием функционального гомодимера и, как правило, включением лиганд-связывающего домена4. Белки Vibrio LuxR/HapR соответствуют всем этим критериям, хотя лиганд еще не идентифицирован. Белок LuxR/HapR у всех изученных видов вибрионов контролирует многочисленные последующие виды поведения, многие из которых, как известно, важны для патогенеза: производство биопленок, протеаз, цитотоксинов, гемолизинов, секреции III типа, секретных комплексов VI типаи т. д. 3. Делеция белка LuxR/HapR приводит к снижению или потере вирулентности в системах хозяина 5,6,7, что приводит к гипотезе о том, что ингибирование этих белков является жизнеспособной стратегией противодействия прогрессированию заболевания. Виды вибрионов вызывают болезнь вибриоза у морских организмов, включая рыб, моллюсков и кораллы, а также у людей, которые контактируют или проглатывают определенные виды.
В предыдущих исследованиях была выявлена панель тиофенсульфонамидных соединений, которые специфически связываются с лиганд-связывающим доменом белков LuxR/HapR в нескольких видах вибрионов для блокирования их функции 5,8,9 (рис. 1). С помощью репортерного скрининга E. coli соединения были идентифицированы и впоследствии протестированы в нативном Vibrio, который показал высокую корреляцию между эффектом в гетерологичной E. coli и эффективностью в Vibrio9. Эти соединения легко синтезировать за один этап, что делает их идеальными для синтеза в небольших библиотеках в контексте лабораторного курса химической биологии. Ранее сообщалось о трехнедельном исследовательском опыте на основе курса бакалавриата (CURE), который был разработан на основе этого молекулярного каркаса8. Этот трехнедельный модуль был дополнительно оптимизирован, оптимизирован и расширен в этом годичном CURE, предназначенном для ингибирования белков LuxR/HapR у различных видов Vibrio.
Подробная информация о реактивах и оборудовании, использованном для исследования, приведена в Таблице материалов.
1. Дизайн и синтез библиотек тиофенесульфонамида
Примечание: Ингибиторы тиофенсульфонамида, такие как 3-фенил-1-(тиофен-2-илсульфонил)-1 H-пиразол (PTSP), синтезируются путем одноступенчатой конденсации 8,9, продвигаемой основаниями, как показано на рисунке 2. Чтобы разработать новые библиотеки соединений для исследования, исследователи должны приобрести соответствующие амины и сульфонилхлориды и выполнить шаги, кратко изложенные ниже. Если структура амина сильно отличается от ароматического производного пиразола, то может потребоваться определение альтернативных условий реакции путем поиска в литературе. Эта процедура надежна, и такие основания, как гидроксид натрия, триэтиламин и пиридин, также хорошо работают. Если это выполняется в рамках курса, студентам может быть предоставлена свобода выбора собственной процедуры с вероятными благоприятными результатами.
2. Структурное моделирование для прогнозирования связывания тиофенсульфонамидов с регулятором Vibrio LuxR/HapR
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол использует веб-версию AutoDock Vina под названием Webina11 для док-инга низкомолекулярных ингибиторов (в данном случае PTSP) в карман связывания лиганда гомолога LuxR/HapR под названием SmcR из Vibrio vulnificus12. Результатом работы этого протокола являются (1) расчетные аффинности связывания и (2) файл структуры, который может быть открыт в PyMol или связанной программе для визуализации лиганд-белковых взаимодействий. Этот протокол может быть адаптирован для любой малой молекулы и любого белка с карманом, связывающим лиганд. Стыковка с SmcR занимает несколько минут, потому что область поиска этого рецептора определена ниже. Если необходимо определить область поиска для нового рецептора (шаги 2.15-2.20), это может быть выполнено за один 3-часовой лабораторный период. После того, как область поиска определена, последующие стыковки займут несколько минут.
3. Биологическая оценка тиофенсульфонамидов при ингибировании чувства кворума
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура определения белка Vibrio campbellii LuxR описана здесь. Тем не менее, эта процедура может быть адаптирована для использования с любым из белков Vibrio LuxR/HapR, все из которых доступны на эктопически реплицирующихся плазмидах, совместимых с репортерной плазмидой pJV0649. Анализ «красно-зеленого экрана» проводится на гетерологичном бактериальном фоне с использованием клеток E. coli, содержащих две плазмиды. Доступна экспрессия плазмиды LuxR/HapR (придающая устойчивость к канамицину) с экспрессией различных генов LuxR (рис. 4A). Плазмида pJV064 (придающая устойчивость к хлорамфениколу) кодирует ген gfp под контролем активируемого LuxR-промотора и ген mCherry под контролем LuxR-подавленного промотора (рис. 4A). Оба промотора были выбраны в связи с их идентификацией как LuxR-регулируемых генов с большими изменениями экспрессии in vivo15. Штаммы LuxR/HapR E. coli и плазмида pJV064 были опубликованы ранее 9,15.
4. Промывка черных пробирных пластин для повторного использования
В качестве репрезентативных результатов включены данные о трех тиофенсульфонамидных соединениях, синтезированных студентами бакалавриата для соединений 1A, 2B и 3B (рисунок 5A-C; подробно описано в Newman et al.9). Каждое сое?...
Этот CURE был первоначально разработан как сокращенный двухэтапный, трехнедельный протокол (дизайн/синтез и анализ) и был реализован в течение пяти семестров в рамках лабораторного курса верхнего уровня по органическому организму8. С момента составления п...
JVK и LCB раскрывают финансовые интересы в Quornix, LLC, которые могут извлечь выгоду из результатов исследований тиофенсульфонамидных соединений.
Исследование, представленное в этой публикации, было поддержано Национальным институтом общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения под номером R35GM124698 для JVK. Ответственность за содержание лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-thiophensulfonyl chloride | Ambeed | A258464 | |
3-Phenyl-1H-pyrazole | Ambeed | A104401 | 98% |
96-well clear bottom black plates | USA Scientific | 5665-5090Q | 96-well polystyrene uClear black TC plate with lid, clear flat bottom, sterile, 8/sleeve, 32/case |
Autodock Tools | http://mgltools.scripps.edu/downloads | ||
Autodock Vina | https://vina.scripps.edu | ||
Chloramphenicol | |||
DMSO | |||
ethyl acetate | Fisher Scientific | AA31344M4 | Reagent grade |
hexanes | Fisher Scientific | H291 | |
Kanamycin | |||
magnesium sulfate | Fisher Scientific | M65-500 | Anhydrous |
Microporous Film | USA Scientific | 2920-1010 | Microporous Film, -20degC to +80degC, 50/box, Sterilized |
molview | molview.org | ||
NaCl | |||
Protein Databank | https://www.rcsb.org/ | ||
Pymol | https://pymol.org/2/ | ||
Qualitative filter paper | Fisher Scientific | 09-805-342 | Cytiva Whatman™ Qualitative Filter Paper: Grade 1 Circles, 47 mm |
Silica gel | Sorbtech | 30930M-25 | Silica Gel, Standard Grade, 60A, 40-63um (230 x 400 mesh) |
Sodium hydride | Millipore Sigma | 452912 | 60 % dispersion in mineral oil |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | MTX02847 | Tetrahydrofuran, anhydrous, 99.9%, ACS Grade, DriSolv |
TLC Plates | Sorbtech | 1634067 | Silica gel TLC plates, aluminum backed |
Tryptone | |||
webina | https://durrantlab.pitt.edu/webina/ | ||
Yeast Extract |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены