Bacterial recombinant L-asparaginases: properties, structure and anti-proliferative activity

Abstract

For more than 40 years L-asparaginases are used in combined therapy of acute lymphoblastic leukemia in children and the range of tumors sensitive to these enzymes constantly extends. This review summarizes results of studies aimed at creation of new systems for heterological expression of bacterial L-asparaginases as Erwinia carotovora (EwA), Helicobacter pylori (HpA), Yersinia pseudotuberculosis (YpA) and Rhodospirillum rubrum (RrA); special attention is paid to isolation of purified enzymes and their crystallization, modification by chitosan/polyethylene, physicochemical, kinetic and structural properties characterization, and the study of the cytotoxic or anti-proliferative activity of new recombinant L-asparaginases on cell cultures in vitro. The resultant recombinant L-asparaginases (EwA, YpA, HpA и RrA) exhibit reasonable cytotoxic action on the human leukemia cells comparable to the pharmacologically available L-asparaginase EcA and represent practical interest in respect to creation, on their basis, new effective antineoplastic remedies. Further prospects of researches on bacterial L-asparaginases are associated with development of analogs of Rhodospirillum rubrum L-asparaginase (RrA) by means of directed changes of the protein structure using genetic engineering, development of chito-PEGylation for receiving L-asparaginase preparations with improved pharmacokinetic characteristics.

Molecular Analysis of L-Asparaginases for Clarification of the Mechanism of Action and Optimization of Pharmacological Functions

“…The practical application of L-ASNases is currently directly related to their enzymatic properties. The structural, biophysical and biochemical properties of type I and II L-ASNases have been described in experimental works [ 11 , 27 , 28 , 29 , 30 ], and detailed information about the catalytic mechanism of bacterial L-ASNases is presented in detail in the reviews by Lubkowski et al [ 31 ] and Loch [ 32 ].…”

L-asparaginase: New about Well-Known Drug

“…Возможная устойчивость опухолевых клеток к бактериальной L-аспарагиназе -еще одна причина, которая диктует необходимость проведения исследований по поиску альтернативных источников L-аспарагиназы, включая растения и грибы, что, вероятно, позволит преодолеть рефрактерность к бактериальной L-аспарагиназе и уменьшить частоту и степень выраженности побочных эффектов. Рекомбинантные формы L-аспарагиназы, полученные из Erwinia carotovora, Yersinia pseudotuberculosis, Нelicobacter pylori и Rhodospirillum rubrum, по физикохимическим, кинетическим и структурным свойствам, а также по эффективности цитотоксического действия на лейкозные клетки человека не уступают лекарственным препаратам, полученным от Escherichia coli [4,5].…”

“…Однако L-аспарагиназа обладает свойством не только избирательного воздействия на аминокислоту аспарагин, но и частично вызывает гидролиз L-глутамина, который является транспортным субстратом аминного азота для биохимических процессов в организме человека. После введения препаратов L-аспарагиназы и опосредованного снижения концентрации L-глутамина происходит длительное нарушение процессов, протекающих преимущественно в гепатоцитах, что и обусловливает в дальнейшем широкий спектр побочных реакций, связанных с биосинтетической, метаболической и барьерной функциями печени [1,[4][5][6].…”