Frontiers in Molecular Biosciences

Antibiotikaresistente bakterier er årligt skyld i millioner af infektioner, der er svære at behandle. Siden antibiotiske “mirakelmedicin” først blev introduceret til klinisk brug, har resistens fulgt tæt efter; for nylig er dette problem blevet kraftigt forværret af deres omfattende anvendelse inden for medicin og landbrug, kombineret med bakteriepopulationers bemærkelsesværdige evne til hurtigt at udvikle sig og udveksle genetisk materiale. Stigningen af multiresistens (MDR) kombineret med den faldende tilgængelighed af nyligt godkendte eller under udvikling værende behandlinger truer med at ændre vores evne til at behandle infektioner fundamentalt. Om de mest pessimistiske forudsigelser om en fremtidig “postantibiotisk æra” bliver til virkelighed i løbet af de kommende årtier vil afhænge af de foranstaltninger, der træffes i nutiden. Dette forskningstema samler artikler, der fremhæver de seneste bidrag fra strukturbiologien og beslægtede tilgange til vores forståelse af antibiotikaresistens og bakteriers tilpasninger mod lægemidler, der er rettet mod centrale cellulære strukturer, komplekser eller veje, samt om udviklingen af lægemidler til bekæmpelse af disse resistensmekanismer. Ny indsigt fra sådanne tilgange vil sandsynligvis være afgørende i fremtidige bestræbelser på at udvikle strategier til at overvinde eksisterende resistensmekanismer og identificere mål for udvikling af nye antibiotika.

Effluxpumper og -transportere

De tredelte samlinger, der er bygget op omkring Resistance-Nodulation-Division (RND)-familien af proton-drevne sekundære transportører, spiller en fremtrædende MDR-rolle i Gram-negative bakterier. Mens RND-samlinger har været i fokus for et nyligt dedikeret Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016), er deres strukturelle biologi en af de hurtigst fremadskridende retninger inden for MDR-feltet, og to vigtige eksperimentelle undersøgelser rapporteres i denne samling.

For det første bruger Zwama et al. røntgenkrystallografi til at dissekere rollen for den såkaldte hejsningssløjfe, der er placeret på grænsen mellem transmembranhelix 8 og PC2-subdomænet, i det prototypiske RND-familiemedlem AcrB. Denne undersøgelse viser, hvordan den tilfældige coil-til-α-helix-overgang i denne loop fører til åbning og lukning af lægemiddelkanalens indgang. Afgørende er, at dette arbejde belyser et af de sidste tilbageværende problematiske områder vedrørende den funktionelle RND-pumpecyklus, nemlig energioverførsel og konformationskobling mellem fjerntliggende regioner af RND-transporterne.

Et andet vedholdende spørgsmål inden for RND-feltet er det strukturelle grundlag for den tilsyneladende brede substratspecificitet, som disse pumper giver. Ramaswamy et al. behandler dette spørgsmål ved hjælp af molekylærdynamiske simuleringer af de centralt vigtige RND-transportere MexB og MexY fra Pseudomonas aeruginosa. Denne undersøgelse karakteriserer de potentielle bindingslommer for disse transportører og deres substrater, hvilket ved innovativ brug af elektrostatisk komplementaritetsanalyse gør det muligt for forfatterne at afsløre vigtige forskelle mellem disse transportører. Det er vigtigt, at denne første sammenlignende undersøgelse af de vigtigste P. aeruginosa-transportører tyder på, at den dybe bindingslomme i den stramme konformer spiller en central rolle i substrat-selektiviteten.

Mens RND-transportørernes rolle i udstrømning og tredelte samlinger er blevet undersøgt indgående, har man indtil for nylig vidst meget mindre om den strukturelle organisation af ABC-transportørernes familiemedlemmer, der deltager i tredelte samlinger. En omfattende gennemgang af Greene et al. sammenfatter de seneste fremskridt inden for struktur og funktion af MacB-familien af ABC-transportere, som danner unikke trepartssamlinger med en rolle i makrolidudstrømning og proteineksport. Forfatterne giver en spændende ny model for funktionel mekanotransmission og diskuterer forbindelserne til homologe tredelte systemer fra andre patogene bakterier, som på samme måde eksporterer proteinlignende signalmolekyler, virulensfaktorer og siderophorer.

Genetisk regulering af udstrømningspumper er en vigtig mekanisme for resistens, med deres tilknyttede transkriptionelle regulatorer som lovende terapeutiske mål, og alligevel er dette fortsat et af de mindst velforståede områder inden for MDR. Issa et al. slår bro over denne kløft og giver en omfattende gennemgang af de seneste fremskridt inden for strukturbiologien af regulatorfamilier i P. aeruginosa, herunder enkomponent-systemregulatorer i TetR-, LysR-, MarR-, AraC-familierne og tokomponent-systemer (TCS)-regulatorfamilier. I et beslægtet arbejde kombinerer Milton et al. molekylær modellering med biokemiske og cellulære undersøgelser for at foreslå en potentiel mekanisme for interaktion mellem TCS-reaktionsregulatorer og 2-aminoimidazolforbindelser, som kan hæmme bakteriel biofilmdannelse, sprede foruddannede biofilm og gøre MDR-bakterier igen følsomme over for antibiotika. Denne undersøgelse fokuserer på to vigtige patogener, Acinetobacter baumannii og Francisella tularensis, og giver lovende ny indsigt i denne potentielle nye terapeutiske vej.

Cellevægsændringer

Den komplekse rolle, som den bakterielle celle-omslagsstruktur og især lipid A-komponenten (endotoxin) i lipopolysaccharidets (LPS) ydre membranlag spiller for moduleringen af bakteriernes modtagelighed over for værtens antimikrobielle stoffer som f.eks. kationiske antimikrobielle peptider, er genstand for en grundig gennemgang af Kahler et al. LPS’ rolle i bakteriel patogenese og immunologisk undvigelse har for nylig været genstand for øget opmærksomhed, og dette arbejde giver en rettidig sammenfatning af viden om virkningerne af phosphoethanolamin-dekoration af lipid A i patogene Neisseria-stammer og potentialet i at målrette det ansvarlige EptA-enzym til terapeutiske formål.

En anden måde, hvorpå bakterier beskytter sig mod eksterne agenser, er ved at ændre cellevæggen af peptidoglykan (PG), og et velkendt eksempel er udskiftning af D-Ala-delen af PG til D-laktat for at give vancomycinresistens hos enterokokker. I deres oversigtsartikel forklarer Yadav et al., hvordan forskellige kemiske modifikationer af PG bidrager til at forsvare bakterier mod værtsgenererede antimikrobielle stoffer, såsom lysozym og andre hydrolytiske enzymer samt antibiotika. En sådan viden kan være med til at styre nye terapeutiske tilgange, der svækker bakteriernes cellevæg og øger modtageligheden over for eksisterende antibiotika.

Ribosom-målrettede antibiotika og resistensmekanismer

Ribosomer er de essentielle RNA-proteinkomplekser, der er ansvarlige for proteinsyntesen i alle celler. Imidlertid gør unikke aspekter af bakterieribosomet det muligt at anvende specifikke antibiotika, der griber ind i alle aspekter af ribosomfunktionen. Disse kemisk forskellige lægemidler har været en vigtig del af vores kliniske arsenal i mange årtier, og tre artikler her fokuserer på deres virkning og tilhørende resistensmekanismer.

Polikanov et al. giver en detaljeret gennemgang af ribosom-målrettede peptidantibiotika med særlig vægt på hvert lægemiddels interaktion med enten den lille (30S) eller den store (50S) ribosomunderenhed og virkningsmekanisme. De akkumulerede oplysninger om disse antibiotika, herunder ribosom-lægemiddelstrukturer med høj opløsning, giver mulighed for at udvikle forbedrede, næste generations antibiotika med øget aktivitet og, gennem ændring af regioner, der er overflødige for ribosominaktivering, forbedringer i andre egenskaber såsom optagelse/fastholdelse eller reduceret toksicitet.

Markley og Wencewicz beskriver de kendte mekanismer for resistens over for tetracykliner, lægemidler, der har været i klinisk brug i over 60 år. Resistens via efflux, ribosommodifikation og virkningen af ribosombeskyttelsesproteiner er veletableret, men deres virkninger er blevet imødegået med succes gennem udformningen af nyere generationer af tetracykliner såsom tigecyclin. Disse lægemidler er nu imidlertid også truet af fremkomsten af de tetracyklin-inaktiverende enzymer, som er hovedfokus i denne gennemgang. På samme måde beskriver Golkar et al. de kemiske strukturer, virkningsmekanismer og resistens for en anden stor klasse af lægemidler, makroliderne, som binder sig i peptidudgangstunnelen. Ligesom tetracykliner er makrolider udsat for resistens via efflux, ribosommodifikation eller mutation og beskyttelsesproteiner. Desuden er deres virkning også truet af makrolidmodificerende phosphotransferase- og esteraseenzymer, hvis strukturer og aktiviteter er hovedfokus i denne omfattende gennemgang.

Sulfonamider og β-lactamaser: Resistance and Frontiers in Drug Development

Sulfamider (sulfonamider) blev først introduceret i 1930’erne og har en lang historie med effektivitet mod bakterielle sygdomme. Disse lægemidler hæmmer bakteriel dihydropteroatsyntase (DHPS) ved at efterligne et af dets substrater, para-aminobenzoesyre (PABA). Mutationer i DHPS medfører resistens over for sulfonamider, men deres mekanisme er ofte ukendt. Griffith et al. identificerer fem mutationer i DHPS, der er forbundet med sulfonamidresistens hos Staphylococcus aureus, og undersøger deres indvirkning på stammens modtagelighed og fitness samt enzymkinetik. Tre af mutationerne bidrager til resistens ved sterisk at blokere den ydre ringdel af sulfonamider, mens de to andre mutationer øger stammens fitness. Arbejdet afslører en kritisk svaghed ved sulfonamider med konsekvenser for lægemiddeldesign: resistensmutationer er rettet mod den del af det antimikrobielle middel, der er vigtigst for dets effektivitet.

Diskussionen om antimikrobiel resistens ville ikke være komplet uden at nævne β-lactamaser, en almindelig mekanisme for resistens hos bakterier, herunder ESKAPE-patogenerne. Disse enzymer hydrolyserer β-lactam-antibiotika, før de når deres molekylære mål, de såkaldte penicillinbindende proteiner. I sin gennemgang forklarer Palzkill det molekylære grundlag for de tre vigtige grupper af klasse A-β-lactamaser (TEM-, CTX-M- og KPC-enzymerne), der har forskellige specificiteter for oxyamino-cephalosporiner. Han fremhæver mutationer, der øger den konformationelle heterogenitet i de aktive steder i disse enzymer for at imødekomme cefalosporiner, og eksistensen af globale suppressormutationer andre steder i proteinet for at kompensere for tab af stabilitet. Endelig beskriver van den Akker og Bonomo i deres gennemgang en række gruppers omfattende bestræbelser på at udvikle β-lactamasehæmmere, herunder fem, der er godkendt til klinisk brug. De fremhæver succesen af strategier, der udnytter specifikke aspekter af enzymmekanismen i designet af disse kritiske antimikrobielle midler.

Author Contributions

Alle forfattere på listen har ydet et væsentligt, direkte og intellektuelt bidrag til arbejdet og har godkendt det til offentliggørelse.

Funding

Relateret forskning i forfatternes laboratorier er støttet af National Institutes of Health grants R01-GM066861 (til CD) og R01-AI088025 (til GC), og BBSRC grant BB/N002776/1 og Wellcome Trust grant 108372/A/15/Z (til VB).

Interessekonflikterklæring

Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller finansielle relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.

Akkreditering

Vi ønsker at overbringe vores påskønnelse til alle de forfattere, der har deltaget i dette forskningstema, samt til de mange bedømmere for deres indsigtsfulde kommentarer.