Strukturelle Untersuchungen zum Wirkmechanismus von DCD-1L, einem anionischen antimikrobiellen Peptid

Abstract

Dermcidin-abgeleitete Peptide werden in den ekkrinen Schweißdrüsen konstitutiv exprimiert und in den Schweiß sezerniert. Diese Peptide unterscheiden sich in Länge, Nettoladung und einigen konnte eine antimikrobielle Aktivität gegen pathogene Bakterien nachgewiesen werden. Mit Hilfe des anionischen DCD-1L sollte der antimikrobielle Wirkmechanismus, der zum bakteriellen Zelltod führt, genauer untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit sowie in vorhergehenden Arbeiten konnte eine Interaktion des Peptids mit der bakteriellen Zelloberfläche beobachtet werden, wobei die Oberflächenstruktur gestört wird. Die Interaktion zwischen DCD-1L und bakteriellen Phospholipiden oder DCD-1L in membranimitierenden Umgebungen (TFE, Detergenzien) führten zu einer strukturellen Veränderung des Peptids. DCD-1L bildete dabei eine amphipathische alpha-helikale Struktur aus und orientierte sich parallel zur Membrannormalen in Lipidsystemen aus POPG oder DMPC/DMPG (1:1). Weiterhin konnte gezeigt werden, dass DCD-1L oligomere Strukturen in membranimitierenden Umgebungen sowie in Anwesenheit von Phospholipiden ausbildet, welche durch Zn2+ stabilisiert wurden. Auch eine Steigerung der antimikrobiellen Aktivität von DCD-1L gegen S. aureus 113 WT konnte in vitro durch die Zugabe von divalenten Kationen erzielt werden. Des Weiteren konnte in elektrophysiologischen Messungen DCD-1L eine spannungsabhängige porenbildende Aktivität in DPhPC-Phospholipidlayern nachgewiesen werden. Die Leitfähigkeit verhielt sich sigmoidal und wurde durch den pH-Wert beeinflusst, wobei keine Ionenselektivität gemessen werden konnte. Anhand der erzielten Ergebnisse kann ein Modell zur Wirkungsweise von DCD-1L erstellt werden. Die initiale Interaktion zwischen DCD-1L und den Phospholipiden der bakteriellen Membran erfolgt wahrscheinlich über elektrostatische Kräfte oder über Salzbrücken. Dabei führt der Kontakt von DCD-1L mit der Zielmembran zur Ausbildung einer amphipathischen alpha-Helix, welche sich parallel zur Membran orientiert. Beim Erreichen einer Schwellenkonzentration kommt es zur Oligomerisierung der Peptide und zur Permeabilisierung der Membran.

Dermcidin-derived peptides are constitutively expressed in human eccrine sweat glands and secreted into the sweat. These peptides differ in length, net charge and some of them have an antimicrobial activity against pathogens. The antimicrobial activity of DCD-1L, which leads to bacterial cell death, was investigated in detail. In this study as well as in previous work we observed an interaction of the peptide with the bacterial surface, whereby the surface structure was disturbed. The interaction between DCD-1L and bacterial phospholipids or DCD-1L in membrane-imitating environments (TFE, detergents) induced a structural change of the peptide. DCD-1L changed its disordered conformation to an amphipathic alpha-helical structure and was aligned in plane of the lipid bilayer consisting of POPG or DMPC/DMPG (1:1). In addition, DCD-1L formed oligomeric structures which are stabilized by Zn2+ in membrane-imitating environments as well as in the presence of phospholipids. The antimicrobial activity of DCD-1L against S. aureus 113 WT was increased by divalent cations. In single channel conductance measurements it was shown, that DCD-1L was able to form voltage-dependent ion channels in DPhPC bilayers, which were pH-dependent without an ion selectivity. With these data it is possible to develop a model for the mode of action of DCD-1L. The initial interaction between DCD-1L and the phospholipids of the bacterial membrane take place by electrostatic interactions or by salt bridges. The interaction induces an amphipathic alpha-helical structure and the peptide is aligned in plane of the membrane. After reaching a concentration dependent threshold the peptide will oligomerize and permeabilize the membrane.