Chloramphenicol-Acetyltransferase

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Zusammenfassung

Chloramphenicol (Cm) und sein fluoriertes Derivat Florfenicol (Ff) sind potente Inhibitoren der bakteriellen Proteinbiosynthese. Aufgrund der weit verbreiteten Anwendung von Cm in der Human- und Veterinärmedizin haben bakterielle Pathogene verschiedener Spezies und Genera eine Cm-Resistenz entwickelt oder erworben. Ff wird ausschließlich in der Veterinärmedizin eingesetzt und wurde Mitte der 1990er-Jahre in die klinische Anwendung eingeführt. Von den bislang bekannten Cm-Resistenzgenen vermitteln nur wenige auch eine Resistenz gegenüber Ff. Für die Resistenz gegen Cm und Ff existieren unterschiedliche Mechanismen, wobei zwei Chloramphenicol-Acetyltransferasen (CATs) besondere Beachtung erfordern. Auf Basis eines Multisequenz-Alignments wurden phylogenetische Bäume verschiedener CAT-Proteine und Exportproteine erstellt.

Anwendung in der Human- und Veterinärmedizin

Cm und einige seiner Derivate, darunter Thiamphenicol und Azidamfenicol, werden seit vielen Jahren in der Humanmedizin breit eingesetzt. Bestimmte Ester von Cm, wie Cm-Succinat oder Cm-Palmitat, werden heute in großen Mengen für die therapeutische Anwendung hergestellt. Sie besitzen keine antimikrobielle Aktivität, solange Cm nicht nach Hydrolyse durch Esterasen freigesetzt wird. Cm-Succinat weist eine gute Wasserlöslichkeit auf und wird daher für parenterale Anwendungen verwendet. Cm galt in den ersten Jahren nach Einführung in die klinische Anwendung als vielversprechendes Breitbandantibiotikum, bis ab Mitte der 1960er-Jahre zunehmend zahlreiche unerwünschte Wirkungen im Zusammenhang mit der Cm-Anwendung beobachtet wurden.

Diese Nebenwirkungen umfassen dosisunabhängige irreversible aplastische Anämie, dosisabhängige reversible Knochenmarksuppression sowie das Gray-Syndrom bei Neugeborenen und Säuglingen. Exantheme und allergische Reaktionen werden gelegentlich beobachtet. Cm passiert die Blut-Hirn-Schranke leicht und bleibt daher ein alternatives Therapeutikum bei Meningitis durch empfindliche Stämme von Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae oder Neisseria meningitidis, wenn andere antimikrobielle Wirkstoffe nicht eingesetzt werden können. Derzeit ist die Anwendung von Cm in der Veterinärmedizin auf Heimtiere und nicht der Lebensmittelgewinnung dienende Tiere beschränkt; in der EU wurde Cm 1994 bei allen der Lebensmittelgewinnung dienenden Tieren verboten, da Verbraucher durch Rückstände aus Lebensmitteltieren nachteilig beeinflusst werden könnten.

Abbildung 1. Struktur von Chloramphenicol und verwandten Substanzen (Schwarz, S.; et al. 2004)

Chloramphenicol-Acetyltransferase

Cm-Acetyltransferasen (CATs) sind in der Lage, Cm sowie Thiamphenicol und Azidamfenicol zu inaktivieren. Da die Hydroxylgruppe an C-3 in Ff durch einen Fluorrest ersetzt ist, ist dessen Akzeptorstelle für Acetylgruppen strukturell verändert, wodurch Ff gegenüber CAT-Enzymen resistent ist. Derzeit werden CATs in zwei Typen mit deutlich unterschiedlicher Struktur eingeteilt: die klassische CAT, auch als Typ-A-CAT bezeichnet, und die neuartige CAT, auch als Xenobiotika-CAT oder Typ-B-CAT bezeichnet.

• Chloramphenicol-Acetyltransferasen vom Typ A

Typ-A-CATs wurden in einer Vielzahl von Bakterien nachgewiesen und weisen trotz Unterschieden in ihren Aminosäuresequenzen gemeinsame Eigenschaften auf. Die native CAT besteht typischerweise aus drei identischen Polypeptiden mit einer Größe von 207 bis 238 Aminosäuren (AS). Das cat-Gen kodiert für das CAT-Monomer. Unter allen derzeit bekannten Typ-A-CATs scheinen jene Aminosäuren konserviert zu sein, die an Substratbindung, katalytischer Aktivität, Monomerfaltung oder der Assemblierung der Monomere zu Trimern beteiligt sind. Einige Typ-A-CATs besitzen spezifische Eigenschaften, wie die Fähigkeit, eine Resistenz gegenüber Fusidinsäure zu vermitteln, oder eine Empfindlichkeit gegenüber Inhibition durch thiolreaktive Reagenzien.

• Chloramphenicol-Acetyltransferase vom Typ B

Typ-B-CAT, mitunter auch als Xenobiotika-Acetyltransferase bezeichnet, inaktiviert Cm ebenfalls durch Acetylierung. Typ-B-CAT weist einige Ähnlichkeiten mit Typ-A-CAT auf: Die native Typ-B-CAT ist ebenfalls ein Homotrimer, bestehend aus Monomeren im Bereich von 209–212 AS. Typ-B-CAT unterscheidet sich jedoch strukturell deutlich von Typ-A-CAT und scheint mit anderen acetylierenden Enzymen von Staphylokokken und Enterokokken verwandt zu sein. Es existieren mindestens fünf unterschiedliche Gruppen von Typ-B-cat-Genen: B-1 bis B-5. Das erste entdeckte Typ-B-cat-Gen, catB1, wurde aus dem Chromosom von A. tumefaciens kloniert. Das catB2-Gen wurde auf dem Multiresistenz-Transposon Tn 2424 von E. coli gefunden. Die Gruppe B-3 umfasst eine Reihe von Genen, die bislang als catB3 - catB6 und catB8 bekannt sind und häufig mit Multiresistenz-Transposons assoziiert sind.

Abbildung 2. Phylogenetischer Baum der Klasse-B-CATs (Schwarz, S.; et al. 2004)