Frontiers in Molecular Biosciences

Antibiotikaresistente Bakterien sind jährlich für Millionen von schwer zu behandelnden Infektionen verantwortlich. Seitdem die ersten antibiotischen „Wundermittel“ in die klinische Praxis eingeführt wurden, ist die Resistenzentwicklung nicht mehr aufzuhalten; in jüngster Zeit hat sich dieses Problem durch den extensiven Einsatz von Antibiotika in der Medizin und in der Landwirtschaft in Verbindung mit der bemerkenswerten Fähigkeit von Bakterienpopulationen, sich schnell weiterzuentwickeln und genetisches Material auszutauschen, noch erheblich verschärft. Die Zunahme der Multiresistenz (MDR) in Verbindung mit der abnehmenden Verfügbarkeit neu zugelassener oder in der Entwicklung befindlicher Therapien droht unsere Möglichkeiten zur Behandlung von Infektionen grundlegend zu verändern. Ob die pessimistischsten Vorhersagen einer „post-antibiotischen Ära“ in den kommenden Jahrzehnten Realität werden, hängt von den Maßnahmen ab, die in der Gegenwart ergriffen werden. Dieses Forschungsthema versammelt Artikel, die die jüngsten Beiträge der Strukturbiologie und verwandter Ansätze zu unserem Verständnis der Antibiotikaresistenz und der Anpassungen hervorheben, die Bakterien gegen Medikamente einsetzen, die auf zelluläre Schlüsselstrukturen, -komplexe oder -wege abzielen, sowie die Bemühungen zur Entwicklung von Medikamenten, die diesen Resistenzmechanismen entgegenwirken. Neue Erkenntnisse aus solchen Ansätzen sind wahrscheinlich entscheidend für zukünftige Bemühungen, Strategien zur Überwindung bestehender Resistenzmechanismen zu entwickeln und Ziele für die Entwicklung neuer Antibiotika zu identifizieren.

Effluxpumpen und Transporter

Die dreiteiligen Baugruppen, die um die Resistance-Nodulation-Division (RND)-Familie protonenbetriebener sekundärer Transporter herum aufgebaut sind, spielen eine herausragende MDR-Rolle in gramnegativen Bakterien. Während die RND-Baugruppen im Mittelpunkt eines kürzlich veröffentlichten Frontiers-Forschungsthemas (Vargiu et al., 2016) standen, ist ihre Strukturbiologie eine der am schnellsten voranschreitenden Richtungen innerhalb des MDR-Feldes, und zwei wichtige experimentelle Studien werden in dieser Sammlung vorgestellt.

Zunächst verwenden Zwama et al. die Röntgenkristallographie, um die Rolle der sogenannten Hebeschleife, die sich an der Grenze von Transmembranhelix 8 und der PC2-Subdomäne befindet, im prototypischen RND-Familienmitglied AcrB zu untersuchen. Diese Studie zeigt, wie der zufällige Übergang von der Spule zurα-Helix dieser Schleife zum Öffnen und Schließen des Drogenkanaleingangs führt. Entscheidend ist, dass diese Arbeit eines der letzten verbleibenden Problemfelder im Hinblick auf den funktionellen RND-Pumpenzyklus aufklärt, nämlich die Energietransduktion und die konformationelle Kopplung zwischen entfernten Regionen der RND-Transporter.

Eine weitere hartnäckige Frage auf dem Gebiet der RND ist die strukturelle Grundlage für die scheinbar breite Substratspezifität dieser Pumpen. Ramaswamy et al. gehen dieser Frage anhand von Molekulardynamiksimulationen der zentral wichtigen RND-Transporter MexB und MexY aus Pseudomonas aeruginosa nach. In dieser Studie werden die potenziellen Bindungstaschen dieser Transporter und ihrer Substrate charakterisiert, was den Autoren durch den innovativen Einsatz der elektrostatischen Komplementaritätsanalyse ermöglicht, wichtige Unterschiede zwischen diesen Transportern aufzudecken. Diese erste vergleichende Studie der wichtigsten P. aeruginosa-Transporter deutet darauf hin, dass die tiefe Bindungstasche des engen Konformers eine zentrale Rolle bei der Substratselektivität spielt.

Während die Rolle der RND-Transporter beim Efflux und bei dreiteiligen Assemblierungen umfassend untersucht wurde, war bis vor kurzem viel weniger über die strukturelle Organisation der Mitglieder der ABC-Transporterfamilie bekannt, die an dreiteiligen Assemblierungen beteiligt sind. Eine umfassende Übersichtsarbeit von Greene et al. fasst die jüngsten Fortschritte bei der Struktur und Funktion der MacB-Familie von ABC-Transportern zusammen, die einzigartige dreiteilige Verbände bilden und eine Rolle beim Makrolidefflux und Proteinexport spielen. Die Autoren stellen ein spannendes neues Modell der funktionellen Mechanotransmission vor und erörtern die Verbindungen zu homologen dreiteiligen Systemen anderer pathogener Bakterien, die in ähnlicher Weise proteinähnliche Signalmoleküle, Virulenzfaktoren und Siderophore exportieren.

Die genetische Regulierung von Effluxpumpen ist ein Schlüsselmechanismus der Resistenz, wobei die mit ihnen verbundenen Transkriptionsregulatoren als vielversprechende therapeutische Ziele auftauchen, und dennoch bleibt dies einer der am wenigsten verstandenen Bereiche bei MDR. Um diese Lücke zu schließen, geben Issa et al. einen umfassenden Überblick über die jüngsten Fortschritte in der Strukturbiologie von Regulatorfamilien in P. aeruginosa, einschließlich der Einkomponentensystem-Regulatoren der TetR-, LysR-, MarR- und AraC-Familien sowie der Zweikomponentensysteme (TCS)-Familien von Regulatoren. In einer verwandten Arbeit kombinieren Milton et al. molekulare Modellierung mit biochemischen und zellulären Studien, um einen potenziellen Mechanismus der Interaktion zwischen TCS-Reaktionsregulatoren und 2-Aminoimidazol-Verbindungen vorzuschlagen, der die bakterielle Biofilmbildung hemmen, bereits gebildete Biofilme auflösen und MDR-Bakterien gegenüber Antibiotika re-sensibilisieren kann. Diese Studie konzentriert sich auf zwei wichtige Krankheitserreger, Acinetobacter baumannii und Francisella tularensis, und liefert vielversprechende neue Erkenntnisse über diesen potenziellen neuen therapeutischen Weg.

Zellwandveränderungen

Die komplexe Rolle, die die bakterielle Zellhüllenstruktur und insbesondere die Lipid A (Endotoxin)-Komponente der äußeren Lipopolysaccharid (LPS)-Membranschicht bei der Modulation der bakteriellen Empfindlichkeit gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen des Wirts, wie z.B. kationischen antimikrobiellen Peptiden, spielt, ist Gegenstand einer eingehenden Untersuchung von Kahler et al. Die Rolle von LPS in der bakteriellen Pathogenese und der immunologischen Umgehung ist in letzter Zeit verstärkt in den Blickpunkt gerückt, und diese Arbeit bietet eine zeitgemäße Zusammenfassung des Wissens über die Auswirkungen der Phosphoethanolamin-Dekoration von Lipid A in pathogenen Neisseria-Stämmen und das Potenzial, das verantwortliche EptA-Enzym für therapeutische Zwecke anzuvisieren.

Eine weitere Möglichkeit für Bakterien, sich gegen äußere Einflüsse zu schützen, ist die Veränderung der Peptidoglykan (PG)-Zellwand. Ein bekanntes Beispiel ist der Austausch der D-Ala-Einheit von PG durch D-Lactat, um Enterokokken gegen Vancomycin resistent zu machen. In ihrem Übersichtsartikel erläutern Yadav et al., wie verschiedene chemische Modifikationen von PG dazu beitragen, Bakterien gegen vom Wirt erzeugte antimikrobielle Substanzen wie Lysozym und andere hydrolytische Enzyme sowie gegen Antibiotika zu schützen. Dieses Wissen kann dazu beitragen, neue therapeutische Ansätze zu entwickeln, die die bakterielle Zellwand schwächen und die Anfälligkeit für vorhandene Antibiotika erhöhen.

Ribosomenzielende Antibiotika und Resistenzmechanismen

Ribosomen sind die wesentlichen RNA-Protein-Komplexe, die für die Proteinsynthese in allen Zellen verantwortlich sind. Einzigartige Aspekte des bakteriellen Ribosoms ermöglichen jedoch spezifische Antibiotika, die in jeden Aspekt der Ribosomfunktion eingreifen. Diese chemisch unterschiedlichen Medikamente sind seit vielen Jahrzehnten ein wichtiger Bestandteil unseres klinischen Arsenals, und drei Artikel befassen sich mit ihrer Wirkung und den damit verbundenen Resistenzmechanismen.

Polikanov et al. geben einen detaillierten Überblick über Ribosom-gerichtete Peptid-Antibiotika, mit besonderem Schwerpunkt auf der Interaktion jedes Medikaments entweder mit der kleinen (30S) oder der großen (50S) Ribosom-Untereinheit und dem Wirkmechanismus. Die Anhäufung von Informationen über diese Antibiotika, einschließlich hochauflösender Ribosom-Wirkstoff-Strukturen, bietet Möglichkeiten zur Entwicklung verbesserter Antibiotika der nächsten Generation mit erhöhter Aktivität und, durch Modifizierung von Regionen, die für die Ribosomeninaktivierung entbehrlich sind, Verbesserungen anderer Eigenschaften wie Aufnahme/Retention oder verringerte Toxizität.

Markley und Wencewicz beschreiben die bekannten Mechanismen der Resistenz gegen Tetracycline, Medikamente, die seit über 60 Jahren klinisch eingesetzt werden. Die Resistenz über Efflux, Ribosomenmodifikation und die Wirkung von Ribosomenschutzproteinen ist gut bekannt, aber ihre Auswirkungen wurden durch die Entwicklung neuerer Generationen von Tetracyclinen wie Tigecyclin erfolgreich bekämpft. Doch auch diese Medikamente sind nun durch das Auftreten von Tetracyclin-inaktivierenden Enzymen bedroht, die im Mittelpunkt dieser Übersicht stehen. In ähnlicher Weise beschreiben Golkar et al. die chemischen Strukturen, Wirkmechanismen und Resistenzen für eine zweite große Klasse von Medikamenten, die Makrolide, die im Peptidausgangstunnel binden. Wie die Tetracycline unterliegen auch die Makrolide der Resistenz durch Efflux, Ribosomenveränderung oder Mutation und Schutzproteine. Darüber hinaus wird ihre Wirksamkeit auch durch Makrolid-modifizierende Phosphotransferase- und Esterase-Enzyme bedroht, deren Strukturen und Aktivitäten im Mittelpunkt dieser umfassenden Übersicht stehen.

Sulfonamide und β-Lactamasen: Resistance and Frontiers in Drug Development

Sulfa-Medikamente (Sulfonamide) wurden erstmals in den 1930er Jahren eingeführt und haben eine lange Geschichte der Wirksamkeit gegen bakterielle Erkrankungen. Diese Medikamente hemmen die bakterielle Dihydropteroat-Synthase (DHPS), indem sie eines ihrer Substrate, die Para-Aminobenzoesäure (PABA), imitieren. Mutationen in der DHPS führen zu einer Resistenz gegen Sulfonamide, aber ihr Mechanismus ist oft unbekannt. Griffith et al. identifizieren fünf DHPS-Mutationen, die mit der Sulfonamid-Resistenz von Staphylococcus aureus in Verbindung gebracht werden, und untersuchen ihre Auswirkungen auf die Anfälligkeit und Fitness des Stammes sowie die Enzymkinetik. Drei der Mutationen tragen zur Resistenz bei, indem sie die äußere Ringkomponente von Sulfonamiden sterisch blockieren, während die beiden anderen die Fitness des Stammes erhöhen. Die Arbeit offenbart eine kritische Schwäche von Sulfonamiden mit Auswirkungen auf die Entwicklung von Arzneimitteln: Resistenzmutationen zielen auf den Teil des antimikrobiellen Mittels ab, der für seine Wirksamkeit am wichtigsten ist.

Die Erörterung der antimikrobiellen Resistenz wäre nicht vollständig ohne die Erwähnung von β-Laktamasen, einem häufigen Mechanismus der Resistenz bei Bakterien, einschließlich der ESKAPE-Erreger. Diese Enzyme hydrolysieren β-Laktam-Antibiotika, bevor sie ihre molekularen Ziele, die sogenannten Penicillin-bindenden Proteine, erreichen. In seiner Übersichtsarbeit erläutert Palzkill die molekulare Grundlage für die unterschiedlichen Spezifitäten von drei wichtigen Gruppen von β-Lactamasen der Klasse A (die TEM-, CTX-M- und KPC-Enzyme) für Oxyaminocephalosporine. Er hebt Mutationen hervor, die die Konformationsheterogenität innerhalb der aktiven Stellen dieser Enzyme erhöhen, um Cephalosporine aufzunehmen, sowie die Existenz globaler Suppressor-Mutationen an anderen Stellen des Proteins, um den Stabilitätsverlust zu kompensieren. Schließlich beschreiben van den Akker und Bonomo in ihrer Übersicht die umfangreichen Bemühungen einer Reihe von Gruppen zur Entwicklung von β-Laktamase-Inhibitoren, von denen fünf für den klinischen Einsatz zugelassen sind. Sie betonen den Erfolg von Strategien, die spezifische Aspekte des Enzym-Mechanismus bei der Entwicklung dieser kritischen antimikrobiellen Wirkstoffe ausnutzen.

Autorenbeiträge

Alle aufgeführten Autoren haben einen substanziellen, direkten und intellektuellen Beitrag zu dieser Arbeit geleistet und sie zur Veröffentlichung freigegeben.

Finanzierung

Die Forschungsarbeiten in den Labors der Autoren werden von den National Institutes of Health mit den Stipendien R01-GM066861 (für CD) und R01-AI088025 (für GC) sowie vom BBSRC mit dem Stipendium BB/N002776/1 und vom Wellcome Trust mit dem Stipendium 108372/A/15/Z (für VB) unterstützt.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Wir möchten allen Autoren, die an diesem Forschungsthema mitgewirkt haben, sowie den zahlreichen Gutachtern für ihre aufschlussreichen Kommentare unseren Dank aussprechen.