Enzymes qui détoxifient les toxines marines

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Il existe un besoin urgent de nouveaux médicaments pour traiter la douleur. Les sources thérapeutiques importantes pour la gestion de la douleur et d’autres conditions humaines sont des produits naturels – de petites molécules complexes et biologiquement actives fabriquées par des organismes vivants. Mais les composés isolés directement à partir de sources naturelles n'ont souvent pas les propriétés optimales pour être des médicaments. Par conséquent, un défi majeur pour ceux qui utilisent des produits naturels en tant que moteur de la découverte de médicaments est de savoir comment accéder à un large éventail de structures moléculaires étroitement apparentées pour des tests biologiques. Ceci peut être accompli en utilisant la synthèse chimique, mais les structures complexes des produits naturels rendent souvent cette approche difficile.

Les difficultés d'accès aux analogues structuraux ont entravé les efforts pour enquêter sur une famille de produits naturels appelés toxines paralytiques des coquillages (PST) en tant que candidats au traitement contre la douleur.. De nombreux PST sont très puissants (ils suscitent une forte réaction de leurs cibles biologiques moléculaires) et sont donc très toxiques, ce qui a entravé leur développement en tant que médicaments et a suscité un intérêt pour l’achat d’analogues moins puissants. , Lukowski et al. signaler la voie de biosynthèse générant des PST auxquels des groupes sulfo (SO3) ont été ajoutés, qui sont des membres moins toxiques de cette famille de composés. Les enzymes sulfotransférases caractérisées dans cette étude modifient des molécules de substrat extrêmement complexes et pourraient donc faciliter l'accès à d'autres analogues moins toxiques de PST pour le développement de médicaments.

Les PST sont produits par des micro-organismes marins, notamment des cyanobactéries et des dinoflagellés,. Ils sont responsables de l'engourdissement, des picotements et des symptômes plus graves d'intoxication paralysante par les mollusques (provoqués par la consommation de mollusques contaminés par ces toxines) et interfèrent avec les canaux sodiques voltage-dépendants responsables de la transmission des signaux dans le système nerveux. Des efforts antérieurs visant à isoler les PST ont révélé que les microbes fabriquent souvent des analogues portant un ou plusieurs groupes sulfo, ce qui a permis de découvrir que cette modification chimique réduit la puissance et la toxicité de ces produits naturels.,.

Les voies de biosynthèse et les enzymes impliquées dans l’installation de ces groupes sulfo n’ont été compris qu’il ya quelques années. Les premières découvertes ont été obtenues à partir d’essais utilisant des préparations d’enzymes mal caractérisées isolées à partir de dinoflagellés.,. Ces études suggèrent que les groupes sulfo ont probablement été ajoutés aux PST à un stade avancé de la voie de biosynthèse. Plus récemment, l'identification des gènes cyanobactériens codant pour la machinerie biosynthétique qui produit la saxitoxine, un PST extrêmement puissant, a permis une compréhension moléculaire de l'assemblage du PST..

La saxitoxine est assemblée par le biais de transformations qui convertissent l’acide aminé L-arginine en une série de structures de plus en plus élaborées. Précédent travail avait identifié deux enzymes sulfotransférases putatives (SxtN et SxtSUL) codées par les grappes de gènes biosynthétiques de la saxitoxine, et avait découvert que SxtN pouvait lier un groupe sulfo à un atome d’azote particulier dans la saxitoxine pour générer un analogue appelé gonyautoxine 5 (Fig. 1). Cependant, la position sur la saxitoxine à laquelle la seconde sulfotransférase (SxtSUL) installe un sulfate (SO4) et l’ordre dans lequel les enzymes sont utilisés dans la nature n’ont pas été déterminés.

Figure 1 | Biosynthèse des toxines sulfatées des coquillages (PST) sulfatées. Les PST, y compris la saxitoxine, sont potentiellement mortelles pour l'homme, mais des analogues moins toxiques sont des pistes potentielles dans la recherche de nouveaux analgésiques. Lukowski et al. ont élaboré la voie de biosynthèse qui convertit la saxitoxine en analogues sulfatés moins toxiques pour les microbes. Ils constatent que SxtN, une enzyme sulfotransférase, attache un groupe sulfo (SO3) spécifiquement à un atome d'azote dans la saxitoxine, formant le composé gonyautoxine 5. L'enzyme GxtA ajoute ensuite sélectivement un groupe hydroxyle (OH) à l'autre extrémité de la molécule, formant ainsi M1β, et une seconde sulfotransférase, SxtSUL, convertit le groupe hydroxyle en un groupe sulfate (SO4), formant l’analogue C2. Les travaux pourraient permettre de préparer des analogues de PST sulfatés moins toxiques en utilisant une combinaison de synthèse chimique conventionnelle et de chimie enzymatique. PAPS et NADH sont des cofacteurs enzymatiques; VanB est une enzyme partenaire de GxtA.

Lukowski et al. ont maintenant caractérisé la capacité des SxtN et SxtSUL purifiés à modifier la saxitoxine et d’autres PST. Les chercheurs du même groupe avaient déjà montré qu'une enzyme oxygénase appelée GxtA catalyse l'addition sélective d'un groupe hydroxyle (OH) à un centre du carbone normalement non réactif dans la saxitoxine (Fig. 1). Dans le travail actuel, les auteurs ont associé SxtN et SxtSUL à GxtA, confirmant ainsi que SxtN installe un groupe sulfo sur l’atome d’azote précédemment identifié, mais ont également découvert que SxtSUL sulfatait sélectivement le groupe hydroxyle généré par GxtA.

Contrairement aux transformations non enzymatiques généralement utilisées dans la synthèse chimique de produits naturels, ces réactions enzymatiques sont hautement sélectives pour des sites uniques sur l’échafaudage PST et tolèrent la présence de nombreux groupes chimiques réactifs à densité dense qui sont incorporés dans le complexe moléculaire. architecture des PST. Lukowski et al. étaient donc en mesure de produire une variété de PST sulfatés directement à partir de saxitoxine. Quand ils ont mesuré l’activité biologique de ces composés, les résultats ont confirmé que l’addition de multiples groupes sulfo aux PST réduisait les affinités de liaison des composés aux canaux sodiques voltage-dépendants. Ceci suggère fortement que les groupes sulfo réduisent la toxicité de la PST, soulignant encore leur potentiel d'intégration dans des médicaments candidats à base de PST.

L'utilisation d'enzymes de biosynthèse pour modifier les PST représente une stratégie distincte des approches de synthèse chimique plus fréquemment utilisées pour fabriquer des analogues de ces produits naturels.. Bien que nombre de ces efforts de synthèse aient été couronnés de succès, ils impliquent souvent de longues séquences de réactions et n'offrent que de faibles rendements de produits, conséquence des architectures complexes des PST – qui contiennent une abondance d'atomes d'oxygène et d'azote réactifs qui compliquent l'utilisation de réactions chimiques standard. Les résultats de Lukowski et de ses collègues offrent maintenant aux chercheurs la possibilité de combiner la chimie de synthèse classique à la biocatalyse, en utilisant des enzymes pour modifier davantage les échafaudages de PST obtenus par des voies de synthèse. Cela pourrait potentiellement simplifier l'accès aux versions sulfatées de ces produits naturels. Cette approche pourrait même éventuellement être utilisée pour fabriquer des analogues de PST non naturels en vue de leur évaluation en tant que médicaments candidats.

Cependant, des obstacles importants doivent être surmontés avant que ces enzymes sulfotransférases puissent être pleinement intégrées aux synthèses de PST. Leur efficacité catalytique est très faible et ils n'ont pas encore été utilisés à grande échelle – Lukowski et ses collègues ont travaillé à une échelle inférieure au milligramme, mais des quantités de plusieurs grammes d'analogues de PST seraient éventuellement nécessaires pour le développement préclinique de médicaments candidats. En outre, la réactivité des enzymes vis-à-vis des échafaudages PST non naturels ou des membres de familles de toxines apparentées n'a pas encore été évaluée. Si la réactivité et la sélectivité des sulfotransférases peuvent être optimisées à l'aide du génie enzymatique, ces biocatalyseurs deviendront de puissants outils de synthèse dans la recherche de nouveaux traitements de la douleur.

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