Фунгицид, обычно используемый в сельском хозяйстве для защиты зерна, фруктов и овощей от повреждения плесенью, по-видимому, убивает грибки с помощью ранее неизвестного механизма, вызывающего метаболический шок в клетках, как показало новое исследование.
Фунгицид флудиоксонил изначально был разработан для защиты семян во время хранения, но оказался настолько эффективным в ограничении повреждения плесенью, что теперь его широко используют для обработки урожая после сбора урожая, чтобы продлить срок его хранения. Хотя ученым давно известно, что флудиоксонилу для уничтожения грибковых клеток необходим белок, уникальный для грибов, точный механизм действия флудиоксонила остается неясным.
Новая работа исследователей из Университета Висконсин-Мэдисон показывает, что грибы, подвергшиеся воздействию флудиоксонила, испытывают всплеск концентрации реактивной молекулы стресса, которая запускает биохимический каскад в грибах, который приводит к гибели клеток.
Исследователи создали мутантные штаммы дрожжей, устойчивые к фунгициду, что дало представление о том, как грибы чувствуют ущерб, вызванный флудиоксонилом, и вступают в метаболический путь, после которого они не могут восстановиться. Понимание этого механизма может помочь исследователям оценить роль флудиоксонила в сельскохозяйственной системе и лучше понять, как лекарства убивают грибковые патогены и как грибы вырабатывают устойчивость к противогрибковым химическим веществам.
Исследование опубликовано 25 марта в журнале Scientific Reports. Работу возглавили Тристан Брандхорст и Иэн Кин в лаборатории Брюса Кляйна, профессора педиатрии, внутренних болезней, медицинской микробиологии и иммунологии в Университете Вашингтона в Мэдисоне и Школе медицины и общественного здравоохранения Университета Вашингтона.
С момента его появления в 1993 году прародителем агрохимической компании Syngenta считалось, что флудиоксонил непосредственно нацелен на белок в грибковых клетках, известный как гибридная гистидинкиназа, или HHK для краткости. Syngenta предположила, что флудиоксонил напрямую связывается с HHK, чтобы активировать биохимический путь, который заставляет грибковые клетки непреднамеренно уничтожать себя.
«HHK немного необычен тем, что он высоко консервативен во всем царстве грибов и отсутствует у людей», - говорит Кляйн. «Это также дало возможность прояснить лекарственную мишень, которая может быть селективной в отношении грибковых микробов и, следовательно, нетоксичной для человека».
Итак, лаборатория Кляйна решила понять, как флудиоксонил атаковал HHK. Но в 2016 году они сообщили, что, хотя флудиоксонилу требуется белок HHK для уничтожения грибков, пестицид и белок не взаимодействуют напрямую, оставляя истинный механизм действия флудиоксонила в воздухе. В текущем исследовании исследователи решили проверить альтернативные возможности того, как работает флудиоксонил.
Они обнаружили, что флудиоксонил вызывает форму клеточного стресса у грибов, называемую окислительным стрессом. Окислительный стресс довольно распространен и вызван сочетанием кислорода в воздухе и повреждением клеток от таких стрессоров, как ультрафиолетовое излучение. Исследователи предположили, что HHK действует как сенсор, который активируется окислительным стрессом и способствует гибели клеток.
Удивительно, но когда команда Кляйна подвергала грибы различным формам окислительного стресса, клетки оставались здоровыми. Очевидно, что хотя пестицид вызывал окислительный стресс, одного этого стресса было недостаточно, чтобы вызвать гибель клеток через HHK.
В поисках доказательств окислительного стресса Кин снабдил грибковые клетки димедоном, химическим веществом, которое может облегчить другой тип клеточного стресса, называемый альдегидным стрессом. Альдегидный стресс вызывается альдегидами, такими как консервант формальдегид, которые обладают высокой реакционной способностью. С димедоном для подавления альдегидного стресса грибы стали устойчивыми к флудиоксонилу, что позволяет предположить, что альдегидный стресс может быть недостающим звеном между флудиоксонилом и HHK..
В поисках альдегидов, вызванных флудиоксонилом, исследователи выявили всплеск альдегида метилглиоксаля, особенно реактивного химического вещества, которое может повредить как ДНК, так и клеточные белки. Метилглиоксаль обычно образуется в небольших количествах, когда клетки расщепляют сахара, но клетки обладают каталитическими ферментами для его расщепления до того, как это станет проблемой. Лаборатория Кляйн обнаружила, что флудиоксонил ингибирует один из ферментов, участвующих в метаболизме сахаров, таким образом, что он высвобождает дополнительное количество метилглиоксаля, который, в свою очередь, активирует летальный каскад HHK..
«Вывод домой состоит в том, что флудиоксонил является многофакторным. Он не ставит под угрозу клетки с помощью одного единственного механизма. Он может повреждать клетки различными способами», - говорит Брандхорст. «А альдегидный стресс особенно проблематичен, потому что его повреждение трудно обнаружить."
Во время исследования исследователи модифицировали HHK, чтобы сделать его устойчивым к флудиоксонилу. HHK имеет несколько серосодержащих аминокислот в своей белковой структуре, и эти аминокислоты могут использовать чувствительные атомы серы, чтобы ощущать и реагировать на условия окружающей среды, такие как альдегиды. Когда исследователи удалили серу, HHK больше не реагировал на флудиоксонил, и клетки стали устойчивыми, что указывает на важность этих чувствительных атомов серы в обнаружении альдегидов, индуцированных флудиоксонилом.
Исследователи отмечают, что способность флудиоксонила воздействовать на фермент, метаболизирующий сахар, общий для всех клеток, и производить повреждающее соединение метилглиоксаль может означать, что пестицид имеет больший потенциал вредить негрибковым клеткам, чем ранее. мысль. Хотя флудиоксонил считается безопасным для использования, авторы текущего исследования предлагают пересмотреть воздействие этого широко используемого пестицида на животных.
«Здесь есть еще чему поучиться», - говорит Кляйн.
Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения, грантами NIAID U19 AI109673, R01 AI035681 и R21 AI123758.