Chloramphenicol-Acetyltransferase

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Abstract

Chloramphenicol (Cm) und sein fluoriertes Derivat Florfenicol (Ff) sind potente Inhibitoren der bakteriellen Proteinbiosynthese. Aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von Cm in der Human- und Veterinärmedizin haben bakterielle Krankheitserreger verschiedener Arten und Gattungen Cm-Resistenz entwickelt oder erworben. Ff wird nur in der Veterinärmedizin verwendet und wurde Mitte der 1990er Jahre in die Klinik eingeführt. Von den bisher bekannten Cm-Resistenzgenen vermitteln nur wenige auch die Resistenz gegen Ff. Es existieren verschiedene Mechanismen für die Resistenz gegen Cm und Ff, die zwei Chloramphenicol-Acetyltransferasen (CATs) betreffen, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Phylogenetische Bäume verschiedener CAT-Proteine und Exportproteine wurden basierend auf einer Multisequenz-Alignment erstellt.

Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin

Cm und einige seiner Derivate, einschließlich Thiamphenicol und Azidamfenicol, werden seit vielen Jahren in der Humanmedizin weit verbreitet eingesetzt. Bestimmte Ester von Cm, wie Cm-Succinat oder Cm-Palmitat, werden jetzt in großen Mengen für therapeutische Anwendungen produziert. Sie haben keine antimikrobielle Aktivität, bis Cm nach Hydrolyse durch Esterasen freigesetzt wird. Cm-Succinat zeigt eine gute Löslichkeit in Wasser und wird daher für parenterale Anwendungen verwendet. Cm galt in den ersten Jahren nach seiner Einführung in die Klinik als vielversprechendes Breitbandantibiotikum, bis nach Mitte der 1960er Jahre viele unerwünschte Wirkungen im Zusammenhang mit der Cm-Anwendung allmählich beobachtet wurden.

Zu diesen Nebenwirkungen gehören dosisunabhängige irreversible aplastische Anämie, dosisabhängige reversible Knochenmarkssuppression oder das Gray-Syndrom bei Neugeborenen und Säuglingen. Hautausschläge und allergische Reaktionen werden gelegentlich beobachtet. Cm überwindet leicht die Blut-Hirn-Schranke, sodass es ein alternatives Behandlungsmittel für Meningitis verursacht durch empfindliche Stämme von Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae oder Neisseria meningitidis bleibt, da andere Antimikrobiellen nicht verwendet werden können. Derzeit ist der Einsatz von Cm in der Veterinärmedizin auf Haustiere und nicht zur Nahrungsmittelproduktion verwendete Tiere beschränkt, und es wurde 1994 in der EU bei Lebensmitteln produzierenden Tieren verboten, da Verbraucher durch Rückstände von Lebensmitteltieren negativ betroffen sein 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 die Akzeptorstelle für Acetylgruppen strukturell verändert, was Ff resistent gegen CAT-Enzyme macht. Derzeit werden CATs in zwei Typen mit deutlich unterschiedlichen Strukturen unterteilt: die klassische CAT, auch bekannt als Typ A CAT, und die neuartige CAT, auch bekannt als xenobiotische CAT oder Typ B CAT.

• Typ A Chloramphenicol-Acetyltransferasen

Typ A CATs wurden in einer Vielzahl von Bakterien gefunden, und trotz Unterschiede in ihren Aminosäuresequenzen teilen sie dennoch einige Eigenschaften. Die native CAT besteht typischerweise aus drei identischen Polypeptiden mit einer Größe von 207 bis 238 Aminosäuren (aa). Das cat Gen kodiert für das CAT-Monomer. Unter allen derzeit bekannten Typ A CATs scheinen die Aminosäuren, die an der Substratbindung, der katalytischen Aktivität, dem Falten des Monomers oder der Assemblierung des Monomers zu Trimere beteiligt sind, konserviert zu sein. Einige Typ A CATs haben spezifische Eigenschaften, wie die Fähigkeit, Resistenz gegen fusidische Säure zu vermitteln oder Empfindlichkeit gegenüber Inhibition durch thiolreaktive Reagenzien.

• Typ B Chloramphenicol-Acetyltransferase

Typ B CAT, manchmal als xenobiotische Acetyltransferase bezeichnet, inaktiviert ebenfalls Cm durch Acetylierung. Typ B CAT teilt einige Ähnlichkeiten mit Typ A CAT: native Typ B CAT ist ebenfalls ein Homotrimer, das aus Monomeren im Bereich von 209-212 aa besteht. Typ B CAT unterscheidet sich jedoch erheblich von Typ A CAT in seiner Struktur und scheint mit anderen acetylierenden Enzymen von Staphylokokken und Enterokokken verwandt zu sein. Es gibt mindestens fünf verschiedene Gruppen von Typ B cat Genen: B-1-B-5. Das erste entdeckte Typ B cat Gen catB1 wurde aus dem Chromosom von A. tumefaciens kloniert. Das catB2 Gen wurde auf dem multiresistenten Transposon Tn 2424 von E. coli. gefunden. Die Gruppe B-3 enthält eine Reihe von Genen, die bisher als catB3 - catB6 und catB8 bekannt sind, die häufig mit multiresistenten Transposons assoziiert sind.

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