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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Enzymen,
die an der Peptidoglycanbiosynthese in Bakterien beteiligt sind.
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Bei
Peptidoglycan handelt es sich um einen Hauptbestandteil der Bakterienzellwand,
der dieser ihre Form und Stärke
verleiht. Es kommt nur in Bakterien vor und wird in allen Bakterien,
sowohl gram-positiven als auch gram-negativen, angetroffen. Bei
Peptidoglycan handelt es sich um ein Polymer aus Glycansträngen, die über kurze
Peptidbrücken
quervernetzt sind. Es besteht aus einander abwechselnden β1-4-verknüpften Resten
von N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und N-Acetylmuraminsäure (MurNAc).
An MurNAc ist eine Pentapeptidkette gebunden (MurNAc-Pentapeptid),
wobei die Quervernetzung zwischen diesen Peptidketten erfolgt.
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Die
Biosynthese von Peptidoglycan läßt sich
in drei Stufen einteilen: erstens die Synthese der Vorstufen in
Zytoplasma, zweitens die Übertragung
der Vorstufen auf ein Lipidträgermolekül und drittens
der Einbau der Vorstufen in die Zellwand und die Kopplung an bereits
bestehendes Peptidoglycan.
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Bei
den im Zytoplasma synthetisierten Vorstufen handelt es sich um die
Zuckernukleotide:
UDP-N-Acetylglucosamin (UDP-GlcNAc) und UDP-N-Acetylmuramylpentapeptid
(UDP-MurNAc-Pentapeptid).
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Die
zweite Stufe, die in der Zytoplasmamembran erfolgt, wird von zwei
Enzymen katalysiert und beinhaltet die Synthese einer Disaccharideinheit
auf einem Lipidträger,
Undecaprenylphosphat. Der Lipidträger ist auch an der Synthese
weiterer Bestandteile der Bakterienzellwand beteiligt.
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Das
erste Enzym katalysiert die Übertragung
von Phosphoryl-N-acetylmuramylpentapeptid von UDP-MurNAc-Pentapeptid auf Undecaprenolphosphat
bei gleichzeitiger Freisetzung von UMP. Dieses Enzym wird Phospho-N-acetylmuramylpentapeptid-Translokase
(nachfolgend als "die
Translokase" bezeichnet)
genannt und ist das Produkt des Gens mra Y in Escherichia coli.
Das Produkt, Undecaprenolpyrophosphat-N-acetylmuramylpentapeptid
(Lipid-P-P-MurNAc-Pentapeptid) bzw. Lipid I oder lipid-verknüpfte Vorstufe I,
ist das Sustrat für
das zweite Enzym.
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N-Acetylglucosaminyl-Transferase überträgt N-Acetylglucosamin
von UDP-GlcNAc (bei gleichzeitiger Freisetzung von UDP) unter Bildung
von Undecaprenolpyrophosphoryl-N-acetylmuramylpentapeptid-N-acetylglucosamin
bzw. Lipid II oder lipid-verknüpfter
Vorstufe II. Dieses Enzym wird auch UDP-N-Acetylglucosamin:N-Acetylmuramyl(pentapeptid)-P-P-undecaprenol-N-acetylglucosamin-Transferase
(nachfolgend als "die Transferase" bezeichnet) genannt.
Das Enzym ist das Produkt des Gens murG in Escherichia coli.
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Die
Translokase- und Transferase-Enzyme sind für die Lebensfähigkeit
der Bakterien essentiell (siehe D. S. Boyle und W. D. Donachie,
J. Bacteriol., (1998), 180, 6429–6432 bzw. D. Mengin-Lecreulx,
L. Texier, M. Rousseaue und Y. Van Heijernoot, J. Bacteriol., (1991),
173, 4625–4636).
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In
der dritten Stufe findet an der Außenseite der Zytoplasmamembran
die Polymerisation des Glycans statt. Dabei wird die Disaccharid-Pentapeptideinheit
vom Lipidträger
auf eine bereits bestehende Disaccharideinheit oder ein bereits
bestehendes Polymer durch eine Peptidoglycan-Transglycosylase (auch
als Peptidoglycan-Polymerase
bezeichnet) (nachfolgend als "die
Transglycosylase" bezeichnet) übertragen.
Die Verbindung der Peptidbrücke
wird durch Peptidoglycan-Transpeptidase (nachfolgend als "die Transpeptidase" bezeichnet) katalysiert.
Beide Enzymaktivitäten,
die jeweils essentiell sind, befinden sich im gleichen Molekül, den Penizillin-Bindungsproteinen
(oder PBPs), wie bei PBP1a oder 1b in Escherichia coli. Es handelt
sich hierbei um die Produkte der Gene ponA und ponB in Escherichia
coli.
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In
der Bakterienzelle gibt es mehrere PBPs, die sich in zwei Klassen,
und zwar PBPs mit geringem Molekulargewicht (LMM) und hohem Molekulargewicht
(HMM), einteilen lassen. Bei den HMM-PBPs handelt es sich um bifunkionelle
Enzyme, die sowohl Transpeptidase- als auch Transglycosylaseaktivität aufweisen. Es
konnte gezeigt werden, daß von
diesen Enzymen PBP2 und PBP3 sowie entweder PBP1A oder PBP1B von
E. coli für
die Zellviabilität
essentiell sind. Die LMM-PBPs scheinen wichtig, jedoch nicht essentiell
für das Zellwachstum
zu sein (z. B. die PBPs 4, 5, 6 von E. coli lassen sich deletieren,
was zu Wachstumsdefekten führt,
wobei die Zelle jedoch überlebt,
siehe S. A. Denome, P. K. Elf, T. A. Henderson, D. E. Nelson und
K. D. Young, J. Bacteriol., (1999), 181(13), 3981–3993).
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Bei
der Übertragung
der Disaccharid-Pentapeptideinheit von der Lipidvorstufe auf eine
bereits bestehende Peptidoglycankette wird das Lipid in Form eines
Moleküls
Undecaprenolpyrophosphat freigesetzt. Letzteres muß von einer
bacitracin-sensitiven Undecaprenyl-Pyrophosphorylase, auch Undecaprenol-Pyrophosphorylase
oder C55-Isoprenyl-Pyrophosphorylase
(nachfolgend als die "Lipid-Pyrophosphorylase" bezeichnet) genannt,
gespalten werden, um Undecaprenolphosphat zu erzeugen, das dann
in der zweiten Stufe in den Kreislauf zurückkehren kann.
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Sowohl
die Translokase als auch die Transferase (Genprodukte von mraY bzw.
murG) stellen Hauptziele für
die Entdeckung von Arzneistoffen dar, die aufgrund des Fehlens eines
geeigneten Tests, der einem Screening mit hohem Durchsatz zugänglich ist,
noch nicht genutzt wurden.
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Sowohl
in der Translokase- als auch der Transferasereaktion wird ein Zuckermolekül übertragen,
und zwar von einer nukleotid-verknüpften Vorstufe auf ein Lipidsubstrat.
Ein herkömmlicher
Enzymtest für
sowohl die Translokase als auch die Transferase beinhaltet die Verwendung
einer radioaktiv markierten Zuckervorstufe und das Verfolgen des
Einbaus der radioaktiven Markierung in das Lipidprodukt. Das Lipidprodukt
wird entweder über
Papierchromatographie oder über
Extraktion des Produkts in Butanol: 6 M Pyridiniumacetat, pH 4,1
(2:1 v/v) verfolgt. Im Papierchromatogramm laufen die beiden Lipidprodukte
Lipid I und Lipid II mit einem Rf-Wert von ~0,9.
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Ein
weiterer bekannter Test, bei dem lediglich Translokaseaktivität verfolgt
wird, verwendet ein dansyliertes UDP-MurNAc-Pentapeptid als Substrat,
wobei dieses fluoresziert. Wird das fluoreszierende Substrat auf
den Lipidträger
in der Membran übertragen,
so ändert
sich seine Umgebung von einer wäßrigen zu
einer hydrophoben Umgebung. Dies führt zu einer Blauverschiebung
eines Emissionsspektrums (525 nm bis 495 nm), das während des
Tests verfolgt wird. Die Fluoreszenzintensität ändert sich lediglich um das
zwei- bis dreifache, und daher handelt es sich um keinen sehr empfindlichen
Test.
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Ein
radioaktiver Test mit hohem Durchsatz für das Transferaseenzym wurde
in der WO 99/38958 beschrieben, doch wird dabei die chemische Synthese
eines künstlichen
Substrats benötigt.
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Es
wäre wünschenswert,
ein Verfahren zum Testen der Aktivität des Translokaseenzyms und/oder
des Transferaseenzyms zu entwickeln, das sich für ein Screening mit hohem Durchsatz
eignet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird daher ein Verfahren zum Testen der Enzymaktivität von UDP-N-Acetylglucosamin:N-Acetylmuramyl(pentapeptid)-P-P-undecaprenol-N-acetylglucosamin-Transferase
und gegebenenfalls ebenso der Enzymaktivität von Phospho-N-Acetylmuramylpentapeptid-Translokase bereitgestellt,
wobei man die folgenden Schritte ausführt:
- (1)
Inkubieren eines Reaktionsansatzes, umfassend Undecaprenolpyrophosphat-N-acetylmuramylpentapeptid
(Lipid I), radioaktiv markiertes UDP-N-Acetylglucosamin (UDP-GlcNAc),
eine Quelle für
zweiwertige Metallionen sowie eine Quelle für das Transferaseenzym, und
wobei Bakterienzellmembranen eine Quelle für ein oder mehrere Mitglieder
der Gruppe Undecaprenylphosphat, Translokaseenzym und Transferaseenzym
darstellen und wobei die Bakterienzellmembranen aus einer Peptidoglycan-Transglycosylaseenzym-Mangelmutante
gewonnen werden, unter für
den Ablauf der Synthese von Undecaprenolpyrophosphoryl-N-acetylmuramylpentapeptid-N-acetylglucosamin
(Lipid II) geeigneten Bedingungen;
- (2) Abstoppen der Reaktion aus Schritt (1);
- (3) Versetzen des Reaktionsansatzes aus Schritt (2) mit einer
Fluoreszenzverbindung; und
- (4) Messen der von der Fluoreszenzverbindung emittierten Lichtenergie.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung ist zu verstehen,
daß sich
die Abkürzung "UDP" auf Uridin(5'-)diphosphat bezieht.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird am zweckmäßigsten
unter Verwendung von 96-Loch-Mikrotiterplatten durchgeführt, was
einen schnellen, einfachen und reproduzierbaren Weg zur Messung
von Enzymaktivität
ermöglicht.
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Sollen
sowohl das Transferase- als auch das Translokaseenzym getestet werden,
so wird in diesem Fall in Schritt (1) das Lipid I in situ gebildet,
indem der Reaktionsansatz UDP-N-Acetylmuramylpentapeptid (UDP-MurNAc-Pentapeptid),
eine Quelle für
Undecaprenylphosphat sowie eine Quelle für das Translokase-Enzym enthält.
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Bei
dem verwendeten UDP-MurNAc-Pentapeptid kann es sich um eines der üblicherweise
in natürlich vorkommenden
Peptidoglycanen vorhandenen UDP-MurNAc-Pentapeptide handeln, wobei
dieses zweckmäßigerweise aus Bakterien aufgereinigt oder enzymatisch
mit Vorstufen aus Bakterien hergestellt wird, beispielsweise mit ähnlichen
Verfahren zu denen von T. den Blaauwen, M. Aarsman und N. Nanninga,
J. Bacteriol., (1990), 172, 63–70
beschriebenen. Ein bevorzugtes zu verwendendes UDP-MurNAc-Pentapeptid
ist UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin
aus Bacillus cereus. Die Konzentration des verwendeten UDP-MurNAc-Pentapeptids
liegt typischerweise im Bereich von 5 μM bis 300 μM, vorzugsweise von 5 μM bis 200 μM, stärker bevorzugt
von 5 μM
bis 100 μM
und ganz besonders von 5 μM
bis 50 μM,
insbesondere 15 μM,
pro Loch der Mikrotiterplatte.
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Als
radioaktiv markiertes UDP-N-Acetylglucosamin wird zweckmäßigerweise
tritiertes UDP-N-Acetylglucosamin (UDP-[3H]GlcNAc,
im Handel erhältlich
von NEN-Dupont), vorzugsweise in einer Konzentration von 0,25 bis
25 μM pro
Loch der Mikrotiterplatte, z. B. bei einer Konzentration von 2,5 μM mit 0,1
bis 0,5 μCi Radioaktivität pro Loch,
vorzugsweise 0,2 μCi
pro Loch der Mikrotiterplatte, verwendet.
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Bei
den verwendeten zweiwertigen Metallionen handelt es sich vorzugsweise
um Magnesiumionen. Eine geeignete Quelle für Magnesiumionen ist Magnesiumchlorid,
vor zugsweise in einem Konzentrationsbereich von 10 bis 30 mM, vorzugsweise
von 10 bis 25 mM.
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Als
Quelle für
Undecaprenylphosphat, Translokaseenzym und Transferaseenzym können zweckmäßigerweise
und in der Tat bevorzugt die Membranen von Escherichia coli-Bakterien verwendet
werden. Die Menge an verwendeten Membranen liegt typischerweise
im Bereich von 1 bis 20 μg,
insbesondere von 4 bis 6 μg,
Protein pro Loch der Mikrotiterplatte. Die Membranen können wie
in Beispiel 1 der WO 99/60155 beschrieben hergestellt werden. Da
in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung die Menge an in Lipid II eingebauter radioaktiver Markierung
verfolgt wird, ist es wichtig, bei Verwendung einer Membranpräparation sicherzustellen,
daß das
vorhandene Transglycosylaseenzym unwirksam gemacht wird, sodaß das radioaktiv markierte
Disaccharid nicht durch die Aktivität des Transglycosylaseenzyms
auf ebenfalls in der Membranpräparation
vorhandenes Peptidoglycan übertragen
wird. Dies erreicht man, indem man Membranen beispielsweise aus
einer Escherichia coli-Mutante verwendet, die kein funktionierendes
Transglycosylaseenzym aufweist (wie beispielsweise in der WO 96/16082
beschrieben).
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In
Schritt (1) kann die Verwendung eines wäßrigen Mediums, wie beispielsweise
einer Pufferlösung, z.
B. von HEPES-Ammoniak, HEPES-KOH (wobei es sich bei HEPES um N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure] handelt)
oder Tris[hydroxymethyl]aminomethanhydrochlorid ("Tris-HCl"), zweckmäßig sein,
wobei die Pufferlösung
einen pH-Wert von etwa 7,5 aufweist. HEPES und Tris-HCl sind im
Handel von der Firma Sigma-Aldrich Co. Ltd. erhältlich.
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Der
Reaktionsansatz aus Schritt (1) wird bei einer Temperatur im Bereich
von 20°C
bis 37°C über einen
Zeitraum von 2 bis 90 Minuten, z. B. 5 Minuten, unter für den Ablauf
der enzymkatalysierten Synthese von Lipid II geeigneten Bedingungen
gehalten.
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Soll
das erfindungsgemäße Verfahren
als Screening zur Identifizierung antibakterieller Verbindungen, bei
denen es sich um Antagonisten des Transferaseenzyms und gegebenenfalls
des Translokaseenzyms handelt, verwendet werden, so kann der Reaktionsansatz
aus Schritt (1) ferner eine oder mehrere Testverbindungen in verschiedenen
Konzentrationen umfassen. Da die Enzyme Transferase und Translokase
für das
Bakterienwachstum essentiell und auf der Zelloberfläche lokalisiert
sind, stellen diese Enzyme gute Ziele für die Entwicklung antibakterieller
Arzneistoffe dar. Derartige Arzneistoffe werden jeweils dahingehend
vorteilhaft sein, daß sie
nicht in den Bakterienorganismus durch die Zellwand eindringen müßten, um
wirksam zu sein, womit die üblichen
Schwierigkeiten der Zellwandpermeabilität und Arzneistoffresistenz,
die durch Änderungen von
Zellwandpermeabilität
und -austrittsströmung
hervorgerufen werden, vermieden würden.
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Die
Reaktion wird in Schritt (2) mit einem beliebigen geeigneten Mittel,
beispielsweise durch Zugabe eines Quenchers gestoppt (bzw. gequencht).
Falls das Transferaseenzym allein getestet wird, so wird die weitere
Reaktion zweckmäßigerweise
durch Zugabe eines Überschusses
an nicht markiertem UDP-N-Acetylglucosamin gestoppt. Werden andererseits
das Transferaseenzym und das Translokaseenzym zusammen getestet,
so kann die weitere Reaktion durch Zugabe einer geeigneten Menge
einer zweiwertigen Metallionenchelatorverbindung, z. B. Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA),
die im Handel von der Firma Sigma-Aldrich Co., Ltd. erhältlich ist,
gestoppt werden. Die Konzentration der Chelatorverbindung hängt natürlich von
der jeweils verwendeten Chelatorverbindung ab und sollte ausreichen,
um alle zweiwertigen Metallionen zu chelatieren; im Falle von EDTA
liegt die Konzentration typischerweise bei etwa 15 mM pro Loch der
Mikrotiterplatte.
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Bei
der in Schritt (3) verwendeten Fluoreszenzverbindung kann es sich
um eine der routinemäßig in Scintillationsproximitätstests
eingesetzten Fluoreszenzverbindungen handeln. Die Fluoreszenzverbindung
ist üblicherweise
mit Kügelchen,
beispielsweise mit Lektin beschichteten Kügelchen, mit anti-Maus-Antikörper beschichteten
Yttriumsilicatkügelchen,
mit Polylysin (z. B. poly(L-)Lysin) beschichteten Yttriumsilicatkügelchen, mit
Protein A beschichteten Yttriumsilicatkügelchen, mit anti-Maus-Antikörper beschichteten
PVT (Polyvinyltoluol)-kügelchen
oder mit Weizenkeimagglutinin beschichteten PVT-Kügelchen,
assoziiert oder davon, darin oder darauf geträgert, wobei alle diese Kügelchen
im Handel von der Firma Amersham Inc. erhältlich sind. Die gewählten Kügelchen
sollten in der Lage sein, an Bakterienzellwände zu binden.
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Bevorzugt
ist die Verwendung von mit einer Fluoreszenzverbindung imprägnierten,
mit Lektin beschichteten Kügelchen,
wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,568,649 und dem Europäischen Patent
Nr. 154,734 beschrieben. Die Kügelchen
(unter SPA ("Scintillation
Proximity Assay")-Beads
bekannt) sind im Handel von der Firma Amersham Inc. erhältlich.
Am stärksten
bevorzugt sind mit Weizenkeimagglutinin beschichtete SPA-Kügelchen,
die zur Bindung von Zuckermolekülen,
insbesondere N-Acetylglucosamin
fähig sind.
Man nimmt an, daß über die
Bindung von N-Acetylglucosamin an die SPA-Kügelchen in Schritt (1) gebildetes
radioaktiv markiertes Lipid II in enge Nachbarschaft mit der Fluoreszenzverbindung
gebracht wird, die durch die Strahlungsenergie aktiviert wird, was
zur Emission von Lichtenergie führt,
die anschließend
in Schritt (4) gemessen wird.
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Die
Kügelchen
(mit Fluoreszenzverbindung), die zweckmäßigerweise in Form einer wäßrigen Suspension
zugegeben werden, werden mit dem Reaktionsansatz aus Schritt (2) über einen
Zeitraum von wenigstens 10 Minuten, vorzugsweise 3 Stunden oder
mehr (z. B. über
Nacht) in Kontakt gebracht, bevor die Platte in Schritt (4) beispielsweise
in einem "Microbeta
Tilux"-Zählgerät "ausgezählt" wird.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ebenso ein Verfahren zum Testen der
Enzymaktivität
von Phospho-N-acetylmuramylpentapeptid-Translokase bereitgestellt,
wobei man die folgenden Schritte ausführt:
- (A)
Inkubieren eines Reaktionsansatzes, umfassend ein UDP-N-Acetylmuramylpentapeptid
(UDP-MurNAc-Pentapeptid), ein radioaktiv markiertes Derivat eines
UDP-N-Acetylmuramylpentapeptids, eine Quelle für zweiwertige Metallionen,
eine Quelle für
Undecaprenylphosphat sowie eine Quelle für das Translokaseenzym, unter
für die
Bildung eines gekoppelten Produkts zwischen dem radioaktiv markierten
Derivat und dem Undecaprenylphosphat geeigneten Bedingungen;
- (B) Abstoppen der Reaktion aus Schritt (A);
- (C) Versetzen des Reaktionsansatzes aus Schritt (B) mit einer
Fluoreszenzverbindung; und
- (D) Messen der von der Fluoreszenzverbindung emittierten Lichtenergie.
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Bei
dem in Schritt (A) verwendeten UDP-MurNAc-Pentapeptid kann es sich
um eines der üblicherweise
in natürlich
vorkommenden Peptidoglycanen vorhandenen UDP-MurNAc-Pentapeptide handeln, das zweckmäßigerweise
aus Bakterien aufgereinigt oder enzymatisch mit Vorstufen aus Bakterien,
beispielsweise mit ähnlichen
Verfahren wie denen von T. den Blaauwen, M. Aarsman und N. Nanninga,
J. Bacteriol., (1990), 172, 63–70
beschriebenen, hergestellt wird. Dabei handelt es sich bei einem
bevorzugt zu verwendenden UDP-MurNAc-Pentapeptid um UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin
aus Bacillus cereus.
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Das
radioaktiv markierte Derivat eines UDP-N-Acetylmuramylpentapeptids enthält vorzugsweise
Tritium [3H], 33P
oder 125I. Eine derartige Verbindung kann
beispielsweise durch Einbau von 3H-Propionat
an der e-Aminogruppe
des meso-DAP-Rests von UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin
synthetisiert werden.
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Die
Gesamtmenge an UDP-MurNAc-Pentapeptid und an radioaktiv markiertem
Derivat liegt typischerweise im Bereich von 4,5 μM bis 15 μM, vorzugsweise von 4 μm bis 10 μM, z. B.
von 4 μm
bis 5,5 μM,
pro Loch der Mikrotiterplatte. Die Menge des verwendeten radioaktiv
markierten Derivats ist so bemessen, daß die Radioaktivität zwischen
z. B. 0,1 μCi
bis 0,6 μCi
pro Loch, vorzugsweise 0,1 μCi
bis 0,4 μCi
pro Loch, insbesondere bei 0,2 μCi
pro Loch, liegt.
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Bei
den verwendeten zweiwertigen Metallionen handelt es sich um die
gleichen wie die zuvor beschriebenen.
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Als
Quelle für
Undecaprenylphosphat und Translokaseenzym können zweckmäßigerweise und in der Tat bevorzugt
die Membranen von Escherichia coli-Bakterien verwendet werden. Die Menge
an verwendeten Membranen liegt typischerweise im Bereich von 5 bis
25 μg, insbesondere
von 10 bis 15 μg,
Protein pro Loch der Mikrotiterplatte. Die Membranen können wie
in Beispiel 1 der WO 99/60155 beschrieben hergestellt werden.
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In
Schritt (A) kann die Verwendung eines wäßrigen Mediums, wie beispielsweise
einer Pufferlösung, z.
B. von HEPES-Ammoniak, HEPES-KOH (wobei es sich bei HEPES um N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure] handelt)
oder Tris[hydroxymethyl]aminomethan hydrochlorid ("Tris-HCl"), zweckmäßig sein,
wobei die Pufferlösung
einen pH-Wert von etwa 7,5 aufweist. HEPES und Tris-HCl sind im
Handel von der Firma Sigma-Aldrich Co. Ltd. erhältlich.
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Der
Reaktionsansatz aus Schritt (A) wird bei einer Temperatur im Bereich
von 20°C
bis 37°C über einen
Zeitraum von 2 bis 15 Minuten, z. B. 8 Minuten, unter für den Ablauf
der enzymkatalysierten Synthese von Lipid I geeigneten Bedingungen
gehalten.
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In
einem bevorzugten Aspekt umfaßt
der Reaktionsansatz aus Schritt (A) zusätzlich geeignete Mengen an
Detergens (wie z. B. Triton X-100 bei 0,1% (w/v)) und Kaliumchlorid,
um das bei der Durchführung
von Schritt (D) des erfindungsgemäßen Verfahrens beobachtete
Signal zu verbessern.
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Soll
das erfindungsgemäße Verfahren
als Screening zur Identifizierung antibakterieller Verbindungen, bei
denen es sich um Antagonisten des Translokaseenzyms handelt, verwendet
werden, so kann der Reaktionsansatz aus Schritt (A) ferner eine
oder mehrere Testverbindungen in verschiedenen Konzentrationen umfassen.
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Die
Reaktion wird in Schritt (B) mit einem beliebigen geeigneten Mittel,
beispielsweise durch Zugabe, und zwar in Form eines Quenchers, einer
geeigneten Menge einer zweiwertigen Metallionenchelatorverbindung,
z. B. Ethylendiamintetraessigsäure
(EDTA), die im Handel von der Firma Sigma-Aldrich Co. Ltd. erhältlich ist,
gestoppt (bzw. gequencht). Die Konzentration der Chelatorverbindung
hängt natürlich von
der jeweils verwendeten Chelatorverbindung ab und sollte ausreichen,
um alle zweiwertigen Metallionen zu chelatieren; im Falle von EDTA
liegt die Konzentration typischerweise bei etwa 35 mM pro Loch der
Mikrotiterplatte.
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Bei
der in Schritt (C) verwendeten Fluoreszenzverbindung kann es sich
um eine der routinemäßig in Scintillationsproximitätstests
eingesetzten Fluoreszenzverbindungen handeln. Die Fluoreszenzverbindung
ist üblicherweise
mit Kügelchen,
beispielsweise mit Lektin beschichteten Kügelchen, mit anti-Maus-Antikörper beschichteten
Yttriumsilicatkügelchen,
mit Polylysin (z. B. poly(L-)Lysin) beschichteten Yttriumsilicatkügelchen, mit
Protein A beschichteten Yttriumsilicatkügelchen, mit anti-Maus-Antikörper beschichteten
PVT (Polyvinyltoluol)-kügelchen
oder mit Weizenkeimagglutinin beschichteten PVT-Kügelchen,
assoziiert oder davon, darin oder darauf geträgert, wobei alle diese Kügelchen
im Handel von der Firma Amersham Inc. erhältlich sind. Die gewählten Kügelchen
sollten in der Lage sein, an Bakterienzellwände zu binden.
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Bevorzugt
ist die Verwendung von mit einer Fluoreszenzverbindung imprägnierten,
mit Lektin beschichteten Kügelchen,
wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,568,649 und dem Europäischen Patent
Nr. 154,734 beschrieben. Die Kügelchen
(unter SPA ("Scintillation
Proximity Assay")-Beads
bekannt) sind im Handel von der Firma Amersham Inc. erhältlich.
Am stärksten
bevorzugt sind mit Weizenkeimagglutinin beschichtete SPA-Kügelchen,
die zur Bindung von Zuckermolekülen,
insbesondere N-Acetylglucosamin
fähig sind.
Man nimmt an, daß das
gekoppelte Produkt auf den mit Lektin beschichteten Kügelchen über die
Bindung von N-Acetylglucosamin, das in den Zellwandfragmenten, die
mit den Bakterienmembranen assoziiert sind, vorhanden ist, falls
diese im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden, eingefangen wird. Aufgrund des spezifischen Einfangens
des gekoppelten Produkts wird die radioaktive Markierung in enge
Nachbarschaft mit der Fluoreszenzverbindung gebracht, die durch
die Strahlungsenergie aktiviert wird, was zur Emission von Lichtenergie
führt,
die anschließend
in Schritt (D) gemessen wird.
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Die
Kügelchen
(mit Fluoreszenzverbindung), die zweckmäßigerweise in Form einer wäßrigen Suspension
zugegeben werden, werden mit dem Reaktionsansatz aus Schritt (B) über einen
Zeitraum von wenigstens 10 Minuten, vorzugsweise 3 Stunden oder
mehr (z. B. über
Nacht) in Kontakt gebracht, bevor die Platte in Schritt (D) beispielsweise
in einem "Microbeta
Tilux"-Zählgerät "ausgezählt" wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden veranschaulichenden
Beispiele weiter erläutert.
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Beispiel 1
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- (i) Die Löcher
einer Mikrotiterplatte wurden einzeln mit einem Gesamtvolumen von
jeweils 25 μl
eines Reaktionsansatzes, umfassend eine wäßrige Pufferlösung von
50 mM HEPES-Ammoniak (N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]) (pH
7,5) sowie 10 mM Magnesiumchlorid, 15 μM UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin,
2,5 μM tritiertes
UDP-N-Acetylglucosamin (0,2 μCi
pro Loch), 3 μM
Moenomycin, 4 μg
Escherichia coli AMA 1004-Zellmembranen sowie eine Lösung der
Testverbindung (z. B. Tunicamycin, Vancomycin, Nisin) mit unterschiedlicher
Konzentration in 4% Dimethylsulfoxid, gefüllt. Tunicamycin ist ein bekannter
Antagonist des Translokaseenzyms, Nisin ein bekannter Antagonist
des Transferaseenzyms und Vancomycin ein bekannter Antagonist sowohl des
Translokase- als auch des Transferaseenzyms (Moenomycin ist ein
bekannter Antagonist des Transglycosylaseenzyms und wird zugegeben,
um den Einbau der radioaktiven Markierung in Peptidoglycan zu verhindern).
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Vier
Löcher
der Mikrotiterplatte wurden als Kontrollen verwendet: zwei Löcher enthielten
kein UDP-N-Acetyl muramylpentapeptid (Kontrollen für 0% Umsetzung),
und zwei weitere Löcher
enthielten keine Testverbindung (Kontrollen für 100% Umsetzung).
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Liegt
der Zweck des Screenings in der Untersuchung der Auswirkung eines
Inhibitors der Transferase oder Translokase, so wird die Testverbindung
zusammen mit den Substraten in Schritt (i) zugegeben.
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Die
E. coli-Membranen wurden wie in der Patenanmeldung WO 99/60155 beschrieben
präpariert.
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Die
Mikrotiterplatte wurde 5 min bei 37°C inkubiert, wonach 5 μl Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) zugegeben
wurden, sodaß eine
EDTA-Endkonzentration von 15 mM erhalten wurde.
- (ii)
Nach der Zugabe der EDTA wurde jedes Loch mit 170 μl einer wäßrigen Suspension
von mit Weizenkeimagglutinin beschichteten SPA-Kügelchen, umfassend 500 μg Kügelchen
in einer Lösung
von HEPES-Ammoniak, pH 7,5, versetzt, sodaß die Endkonzentration an HEPES-Ammoniak
50 mM betrug.
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Man
ließ die
Platte drei Stunden/über
Nacht bei Raumtemperatur stehen, bevor sie im "Microbeta Trilux"-Zählgerät ausgezählt wurde.
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Bei 1 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Translokase (und somit der Lipid-II-Synthese) gegen die Tunicamycinkonzentration
(nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung).
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Bei 2 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Transferase (und somit der Lipid-II-Synthese) gegen die Nisinkonzentration
(nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung).
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Bei 3 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Translokase und Transferase (und somit der Lipid-II-Synthese) gegen
die Vancomycinkonzentration (nach Subtrahieren der entsprechenden
abgelesenen Werte für
0% Umsetzung).
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Beispiel 2
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Das
in Beispiel 1 beschriebene Verfahren kann alternativ unter Verwendung
der Membranen einer Escherichia coli-Mutante, AMA 1004 Δpon B::SpcR, einer Mutante, bei der das für PBPIb
codierende Gen ponB inaktiviert wurde, wie bei S. Y. Yousif, J.
K. Broome-Smith
und B. G. Spratt, J. Gen. Microbiol., (1985), 131, 2839–2845 beschrieben,
durchgeführt
werden. Diesen Membranen fehlt PBPIb-Aktivität, bei der es sich um die Haupttransglycosylase
in Escherichia coli handelt, womit die in Lipid II eingebaute radioaktive
Markierung nicht auf Peptidoglycan übertragen wird. Somit braucht
dem Reaktionsansatz kein Moenomycin zugesetzt werden.
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Bei 4 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Transferase (und somit der Lipid-II-Synthese) gegen die Nisinkonzentration
(nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung).
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Bei 5 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Translokase und Transferase (und somit der Lipid-II-Synthese) gegen
die Vancomycinkonzentration (nach Subtrahieren der entsprechenden
abgelesenen Werte für
0% Umsetzung).
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Beispiel 3
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- (i) Die Löcher
einer Mikrotiterplatte wurden einzeln mit einem Gesamtvolumen von
jeweils 25 μl
eines Reaktionsansatzes, umfassend eine wäßrige Puffer lösung von
50 mM HEPES-Ammoniak (N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]) (pH
7,5) sowie 10 mM Magnesiumchlorid, 15 μM UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin,
2,5 μM tritiertes
UDP-N-Acetylglucosamin (0,2 μCi
pro Loch), 6 μg
Escherichia coli AMA 1004-Zellmembranen, wie unten beschrieben präpariert,
sowie eine Lösung
der Testverbindung (z. B. Tunicamycin, Vancomycin) mit unterschiedlicher Konzentration
in 4% Dimethylsulfoxid, gefüllt.
Tunicamycin ist ein bekannter Antagonist des Translokaseenzyms und
Vancomycin ein bekannter Antagonist sowohl des Translokase- als
auch des Transferaseenzyms.
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Vier
Löcher
der Mikrotiterplatte wurden als Kontrollen verwendet: zwei Löcher enthielten
kein UDP-N-Acetylmuramylpentapeptid (Kontrollen für 0% Umsetzung),
und zwei weitere Löcher
enthielten keine Testverbindung (Kontrollen für 100% Umsetzung).
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Liegt
der Zweck des Screenings in der Untersuchung der Auswirkung eines
Inhibitors der Transferase oder Translokase, so wird die Testverbindung
zusammen mit den Substraten in Schritt (i) zugegeben.
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Die
E. coli-Membranen wurden wie folgt präpariert.
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Vier
bis fünf
Kolonien der Bakterien wurden von einer LB (Luria-Bertani-Medium)-Agarplatte
zum Animpfen in 5 ml LB-Brühe
gegeben und über
Tag (6–8
Stunden) bei 37°C
angezogen. Am Abend wurden 0,5 ml dieser Kultur zum Animpfen von
500 ml LB-Brühe
in einem 2-l-Kolben verwendet. Der Kolben wurde über Nacht bei 30°C auf einen
Schüttler
inkubiert; dabei wurde typischerweise ein A600-Wert von 2,0–2,5 erreicht. Diese
Kultur wurde früh
am nächsten
Morgen zum Animpfen von 6 l LB-Brühe (mit 500 ml LB-Brühe pro 2-l-Kolben)
verwendet, sodaß der
A600-Ausgangswert 0,4–0,6
betrug. Man ließ die Kultur
unter starkem Schütteln/Belüften bei
37°C zwei
Stunden wachsen; dabei wurde ein A600-Wert zwischen 1,4 und 2,0
erreicht. An diesem Punkt wurden die Bakterien auf Eis abgekühlt und
durch Zentrifugation bei 5000 × g
15 Minuten sedimentiert. Das Zellsediment wurde mit 500 ml Puffer
A (50 mM Tris-HCl, pH 7,5/0,1 mM MgCl2)
gewaschen. Anschließend
wurden sie in kalter 20%iger Saccharoselösung in 20 mM Tris-HCl pH 8,0
resuspendiert, wobei ein Volumen eingesetzt wurde, das dem 7,5fachen
des Feuchtgewichts der Zellen entsprach. Es wurde mit Lysozym auf
eine Konzentration von 200 μg/ml
versetzt, und die Zellen wurden leicht 10 min auf Eis gerührt. Über einen
Zeitraum von einer Stunde wurde dann mit einer EDTA-Lösung auf
eine Endkonzentration von 0,02 M versetzt. Die Zellen wurden 20
min bei 12000 × g
zentrifugiert, und das aus der Zentrifugation erhaltene Sediment
wurde in 50 mM Tris-HCl, pH 7,5 mit 1 mM MgCl2 und
RNAse sowie DNAse bei einer Endkonzentration von jeweils 20 μg/ml resuspendiert.
Die Suspension wurde leicht bei Raumtemperatur 1 Std. gerührt. Das
Zelllysat wurde 45 Minuten bei 3500 × g zentrifugiert. Der Überstand
wurde gesammelt, mit Puffer A auf 100 ml verdünnt und 45 Minuten bei 150000 × g ultrazentrifugiert.
Das Sediment dieser Zentrifugation wurde durch Resuspendieren in
100 ml Puffer A und nochmaliges, 30minütiges Zentrifugieren bei 150000 × g gewaschen. Dieses
Sediment wurde in einem Minimalvolumen (5–10 ml für 6 l Kultur) Puffer A vorsichtig
resuspendiert und nach dem Einfrieren portionsweise bei –70°C gelagert.
Dies wird die Membranpräparation
genannt, wobei diese im Test als Quelle für die Translokase- und Transferaseenzyme
sowie von Undecaprenylphosphat verwendet wurde.
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Die
Mikrotiterplatte wurde 30 min bei 37°C inkubiert und anschließend mit
jeweils 5 μl
Ethylendiamintetraessigsäure
(EDTA) versetzt, sodaß eine
EDTA-Endkonzentration von 15 mM erhalten wurde.
- (ii)
Nach der Zugabe der EDTA wurde jedes Loch mit 170 μl einer wäßrigen Suspension
von mit Weizenkeimagglutinin beschichteten SPA-Kügelchen, umfassend 500 μg Kügelchen
in einer Lösung
von HEPES-Ammoniak, pH 7,5, versetzt, sodaß die Endkonzentration an HEPES-Ammoniak
50 mM betrug.
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Man
ließ die
Platte drei Stunden/über
Nacht bei Raumtemperatur stehen, bevor sie im "Microbeta Trilux"-Zählgerät ausgezählt wurde.
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In
Tabelle 1 unten sind die Hemmeffekte von Tunicamycin und Vancomycin
auf die Translokase- und Transferaseenzyme (nach Subtrahieren der
entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung) aufgelistet.
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Beispiel 4
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- (i) Die Löcher
einer Mikrotiterplatte wurden einzeln mit einem Gesamtvolumen von
jeweils 15 μl
eines Reaktionsansatzes, umfassend eine wäßrige Pufferlösung von
50 mM HEPES-Ammoniak (pH 7,5) (N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]) und
10 mM Magnesiumchlorid, 15 μM
UDP-MurNAc-L-Alanin-γ-D-glutaminsäure-m-diaminopimelinsäure-D-alanin-D-alanin sowie
4 μg Zellmembranen
der Escherichia coli-Mutante AMA 1004 Δpon B::SpcR,
einer Mutante, bei der das für
PBPIb codierende Gen ponB inaktiviert worden war, wie bei S. Y.
Yousif, J. K. Broome-Smith und B. G. Spratt, J. Gen. Microbiol.,
(1985), 131, 2839–2845
beschrieben, gefüllt.
Die Platte wurde 20 min bei 37°C
inkubiert.
- (ii) Anschließend
wurde mit Tunicamycin auf eine Endkonzentration von 10 μg/ml und
danach mit einer Testverbindung (z. B. Vancomycin oder Nisin) unterschiedlicher
Konzentration in Dimethylsulfoxid versetzt. Nisin und Vancomycin
sind bekannte Antagonisten des Transferaseenzyms.
- (iii) Anschließend
wurde in die Reaktionsvertiefung das Substrat für die Transferase, 2,5 μM tritiertes UDP-N-Acetylglucosamin
(0,5 μCi
pro Loch) in einem Volumen von 5 μl
gegeben. Die Mikrotiterplatte wurde 5 min bei 37°C inkubiert.
- (iv) Die Reaktion wurde durch Ausverdünnen der radioaktiven Markierung,
d. h. durch Zugabe von 25 μl 200 μM unmarkiertes
UDP-GlcNAc, gestoppt.
- (v) Nach Zugabe des UDP-GlcNAc wurden 150 μl einer wäßrigen Suspension von mit Weizenkeimagglutinin
beschichteten SPA-Kügelchen,
umfassend 500 μg
Kügelchen
in einer Lösung
von HEPES-Ammoniak, pH 7,5, in jedes Loch gegeben, sodaß die Endkonzentration
an HEPES-Ammoniak 50 mM betrug. Man ließ die Platte drei Stunden bei
Raumtemperatur stehen, bevor im Zellgerät "Microbeta Trilux" ausgezählt wurde.
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Vier
Löcher
der Mikrotiterplatte wurden als Kontrollen verwendet: zwei Löcher enthielten
kein UDP-N-Acetylmuramylpentapeptid (Kontrollen für 0% Umsetzung),
und zwei weitere Löcher
enthielten keine Testverbindung (Kontrollen für 100% Umsetzung).
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In
Tabelle 2 sind die Hemmeffekte von Nisin und Vancomycin auf das
Transferaseenzym (nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen
Werte für
0% Umsetzung) aufgelistet.
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Beispiel 5
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- (i) Die Löcher
einer Mikrotiterplatte wurden individuell mit einem Gesamtvolumen
von 25 μl
eines Reaktionsansatzes, umfassend eine wäßrige Pufferlösung von
100 mM HEPES-Ammoniak pH 7,5, 25 mM Magnesiumchlorid, 50 mM KCl,
0,1% w/v Triton X-100,
4 μM UDP-MurNAc-Pentapeptid
plus UDP-MurNAc-[3H]-Pentapeptid (0,2 μCi pro Loch), 12,5 μg der Zellmembranen
der Escherichia coli-Mutante AMA 1004 Δpon B::SpcR (einer
Mutante, bei der das für
PBP1b codierende Gen ponB inaktiviert worden war, wie bei S. Y.
Yousif, J. K. Broome-Smith und B. G. Spratt, J. Gen. Microbiol.,
(1985), 131, 2839–2845
beschrieben) sowie eine Lösung
der Testverbindung (z. B. Tunicamycin, Vancomycin) unterschiedlicher
Konzentration, gefüllt.
Tunicamycin und Vancomycin sind bekannte Antagonisten des Translokaseenzyms.
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Die
E. coli-Membranen wurden wie in der Patentanmeldung WO 99/60155
beschrieben präpariert.
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UDP-MurNAc-[3H]-Pentapeptid wurde wie folgt synthetisiert.
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20
nmol UDP-MurNAc-Pentapeptid (aufgereinigt aus den Heißwasserextrakten
von B. cereus) wurden mit 1 mCi 3H-N-Hydroxysuccinimidylpropionat
(spezifische Aktivität –91 Ci/mmol)
in 20 μl
100 mM Natriumboratpuffer, pH 8,5, bei 4°C 20 Std. inkubiert. Der Reaktionsansatz
wurde auf ein Gesamtvolumen von 100 μl mit 80 μl 0,1 M Ammoniumacetatpuffer,
pH 8,5, verdünnt
und auf eine im gleichen Puffer äquilibrierte 500-μl-DEAE-Sepharose-Säule geladen. Die Säule wurde
mit 6 bis 7 ml 0,1 M Ammoniumacetatpuffer, pH 8,5, zur Abtrennung
des nichtgebundenen, nichtumgesetzten 3H-NHS-Propionats
gewaschen. Das gebundene Produkt UDP-MurNAc-L-Ala-γ-D-Glu-m-DAP(Ne-3H-Propionat)-D-Ala-D-Ala wurde mit 0,5 M
Ammoniumacetatpuffer, pH 8,5, eluiert. Fraktionen von jeweils 0,5
ml wurden gesammelt und auf ihre Aktivität hin beobachtet, indem sie
als Substrat im Enzymtest verwendet wurden. Aktive Fraktionen wurden
vereinigt, und die spezifische Aktivität wurde bestimmt.
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Vier
Löcher
der Mikrotiterplatte wurden als Kontrollen verwendet: zwei Löcher enthielten
dabei eine Stop-Lösung zum
Zeitpunkt 0 (Kontrollen für
0% Umsetzung), wobei zwei weitere Löcher keine Testverbindung enthielten
(Kontrollen für
100% Umsetzung).
- (ii) Die Mikrotiterplatte
wurde acht Minuten bei 22°C
inkubiert.
- (iii) Es wurde mit EDTA (5 μl)
auf eine Endkonzentration von 35 mM versetzt, und anschließend wurden
270 μl einer
wäßrigen Suspension
von mit Weizenkeimagglutinin beschichteten SPA-Kügelchen, umfassend 2000 μg Kügelchen
in einer Lösung
von HEPES-Ammoniak,
pH 7,5, und Natriumazid in jedes Loch gegeben, sodaß eine Endkonzentration
von 100 mM HEPES bzw. 0,02 (w/v) Natriumazid erhalten wurde.
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Man
ließ die
Platte 15 Stunden bei Raumtemperatur stehen, bevor sie im Zählgerät "Microbeta Trilux" ausgezählt wurde.
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Bei 6 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Translokase (und somit der Lipid-I-Synthese) gegen die Tunicamycinkonzentration
(nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung).
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Bei 7 handelt
es sich um eine graphische Auftragung der prozentualen Hemmung von
Translokase (und somit der Lipid-I-Synthese) gegen die Vancomycinkonzentration
(nach Subtrahieren der entsprechenden abgelesenen Werte für 0% Umsetzung).