Frontiers in Molecular Biosciences

Antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit aiheuttavat vuosittain miljoonia vaikeasti hoidettavia infektioita. Siitä lähtien, kun antibioottien ”ihmelääkkeet” otettiin ensimmäistä kertaa kliiniseen käyttöön, resistenssi on seurannut tiiviisti; viime aikoina tätä ongelmaa on pahentanut huomattavasti antibioottien laaja käyttö lääketieteessä ja maataloudessa yhdistettynä bakteeripopulaatioiden huomattavaan kykyyn kehittyä nopeasti ja vaihtaa geneettistä materiaalia. Monilääkeresistenssin (MDR) yleistyminen yhdessä äskettäin hyväksyttyjen tai kehitteillä olevien hoitomuotojen vähenevän saatavuuden kanssa uhkaa muuttaa perusteellisesti kykyämme hoitaa infektioita. Se, toteutuvatko pessimistisimmätkin ennusteet tulevasta ”antibioottien jälkeisestä aikakaudesta” tulevina vuosikymmeninä, riippuu nykyisin toteutettavista toimista. Tähän tutkimusaiheeseen on koottu artikkeleita, joissa korostetaan rakennebiologian ja siihen liittyvien lähestymistapojen viimeaikaisia panoksia antibioottiresistenssin ja bakteerien käyttämien sopeutumismahdollisuuksien ymmärtämisessä sellaisia lääkkeitä vastaan, jotka kohdistuvat keskeisiin solurakenteisiin, -komplekseihin tai -reitteihin, sekä lääkekehityspyrkimyksiä näiden resistenssimekanismien torjumiseksi. Tällaisista lähestymistavoista saadut uudet oivallukset ovat todennäköisesti ratkaisevan tärkeitä tulevissa pyrkimyksissä kehittää strategioita nykyisten resistenssimekanismien voittamiseksi ja uusien antibioottien kehittämiskohteiden tunnistamiseksi.

Effluksipumput ja -kuljettajat

Resistenssi-nodulaatio-divisioona (RND) -perheen ympärille rakennetuilla protonivoimalla toimivilla sekundäärisillä kuljettajilla on merkittävä MDR-rooli gramnegatiivisissa bakteereissa. Vaikka RND-kokoonpanot ovat olleet hiljattain erityisen Frontiers-tutkimusaiheen aiheena (Vargiu ym., 2016), niiden rakennebiologia on yksi nopeimmin etenevistä suuntauksista MDR:n alalla, ja tässä kokoelmassa raportoidaan kaksi tärkeää kokeellista tutkimusta.

Ensiksi Zwama ym. käyttävät röntgenkristallografiaa analysoidakseen transmembraanikierukan 8 ja PC2-aladomeenin rajalla sijaitsevan niin sanotun nostosilmukan roolin RND-perheen prototyyppisessä jäsenessä AcrB:ssa. Tässä tutkimuksessa osoitetaan, miten tämän silmukan satunnainen kelan siirtyminen α-kierteeksi johtaa lääkekanavan sisäänkäynnin avautumiseen ja sulkeutumiseen. Ratkaisevaa on, että tässä työssä selvitetään yksi viimeisistä jäljellä olevista ongelmallisista alueista toiminnallisen RND-pumppusyklin osalta, nimittäin energiansiirto ja konformaatiokytkentä RND-transporttereiden etäisten alueiden välillä.

Toinen sitkeä kysymys RND:n alalla on rakenteellinen perusta näiden pumppujen tarjoamalle näennäiselle laajalle substraattispesifisyydelle. Ramaswamy et al. käsittelevät tätä kysymystä käyttämällä molekyylidynamiikkasimulaatioita Pseudomonas aeruginosan keskeisistä RND-transporttereista MexB ja MexY. Tässä tutkimuksessa luonnehditaan näiden kuljettajien ja niiden substraattien mahdollisia sitoutumistaskuja, joiden avulla kirjoittajat pystyvät paljastamaan näiden kuljettajien välisiä keskeisiä eroja käyttämällä innovatiivisesti sähköstaattista komplementaarisuusanalyysia. Tärkeää on, että tämä ensimmäinen vertaileva tutkimus tärkeimmistä P. aeruginosa -kuljettajista viittaa siihen, että tiukan konformerin syvä sitoutumistasku on keskeisessä asemassa substraattiselektiivisyydessä.

Vaikka RND-kuljettajien roolia efflux- ja kolmiokokoonpanoissa on tutkittu laajalti, viime aikoihin saakka kolmiokokoonpanoihin osallistuvien ABC-kuljettajaperheen jäsenten rakenteellisesta organisaatiosta tiedettiin paljon vähemmän. Greenen ym. laaja katsaus kokoaa yhteen viimeaikaiset edistysaskeleet rakenteen ja toiminnan osalta MacB-perheen ABC-kuljettajissa, jotka muodostavat ainutlaatuisia kolmiosaisia kokoonpanoja, joilla on merkitystä makrolidien ulosvirtauksessa ja proteiinien viennissä. Kirjoittajat tarjoavat mielenkiintoisen uuden mallin toiminnallisesta mekanotransmissiosta ja keskustelevat yhteyksistä muiden patogeenisten bakteerien homologisiin kolmiosaisiin järjestelmiin, jotka vievät samalla tavoin proteiinien kaltaisia signaalimolekyylejä, virulenssitekijöitä ja sideroforeja.

Effluksipumppujen geneettinen säätely on keskeinen resistenssimekanismi, ja niihin liittyvät transkriptionaaliset säätelijät ovat nousemassa esiin lupaavina terapeuttisina kohteina, ja silti tämä on edelleen yksi vähiten tunnetuista osa-alueista, kun on kyse molekyylien aiheuttamasta resistenssistä. Tämän puutteen korjaamiseksi Issa et al. esittävät kattavan katsauksen viimeaikaisesta edistyksestä P. aeruginosa -säätelijäperheiden rakenteellisessa biologiassa, mukaan lukien TetR-, LysR-, MarR- ja AraC-perheiden yksikomponenttisysteemien säätelijät sekä kaksikomponenttisysteemien (TCS) säätelijäperheet. Aiheeseen liittyvässä työssä Milton et al. yhdistävät molekyylimallinnuksen biokemiallisiin ja solututkimuksiin ehdottaakseen potentiaalista vuorovaikutusmekanismia TCS-vasteen säätelijöiden ja 2-aminoimidatsoliyhdisteiden välille, jotka voivat estää bakteerien biofilmin muodostumista, hajottaa valmiiksi muodostuneita biofilmejä ja herkistää MDR-bakteerit uudelleen antibiooteille. Tässä tutkimuksessa keskitytään kahteen tärkeään patogeeniin, Acinetobacter baumannii ja Francisella tularensis, ja se tarjoaa lupaavia uusia näkemyksiä tästä mahdollisesta uudesta terapeuttisesta tiestä.

Soluseinämuutokset

Bakteerien solukuorirakenteen ja erityisesti lipopolysakkaridin (LPS) ulomman kalvokerroksen lipidin A-komponentin (endotoksiini) monimutkaisesta roolista bakteerien herkkyyden moduloinnissa isännän mikrobilääkkeille, kuten kationisille mikrobilääkkeille, kirjoittavat Kahler ym. perusteellisessa katsauksessa. LPS:n rooli bakteerien patogeneesissä ja immunologisessa kiertämisessä on viime aikoina ollut lisääntyneen huomion kohteena, ja tämä työ tarjoaa ajankohtaisen yhteenvedon tietämyksestä, joka koskee lipidi A:n fosfometanoliamiinikoristelun vaikutuksia patogeenisissä Neisseria-kannoissa ja mahdollisuuksia kohdistaa terapeuttisiin tarkoituksiin vastuussa olevaa EptA-entsyymiä.

Toinen tapa, jolla bakteerit suojautuvat ulkoisilta tekijöiltä, on peptidoglykaanin (PG) soluseinän muuttaminen, ja tunnettu esimerkki on PG:n D-Ala-osan korvaaminen D-laktaatilla vankomysiiniresistenssin aikaansaamiseksi enterokokeissa. Yadav ja muut selittävät katsausartikkelissaan, miten PG:n erilaiset kemialliset muutokset auttavat bakteereja puolustautumaan isännän tuottamia mikrobilääkkeitä, kuten lysotsyymiä ja muita hydrolyyttisiä entsyymejä, sekä antibiootteja vastaan. Tällainen tieto voi auttaa ohjaamaan uusia terapeuttisia lähestymistapoja, jotka heikentävät bakteerien soluseinää ja lisäävät herkkyyttä olemassa oleville antibiooteille.

Ribosomeihin kohdistuvat antibiootit ja resistenssimekanismit

Ribosomit ovat välttämättömiä RNA-proteiinikomplekseja, jotka vastaavat proteiinisynteesistä kaikissa soluissa. Bakteerien ribosomin ainutlaatuiset piirteet mahdollistavat kuitenkin erityisten antibioottien käytön, jotka häiritsevät ribosomin toiminnan jokaista osa-aluetta. Nämä kemiallisesti erilaiset lääkkeet ovat olleet merkittävä osa kliinistä arsenaaliamme vuosikymmenien ajan, ja tässä kolme artikkelia keskittyy niiden toimintaan ja niihin liittyviin resistenssimekanismeihin.

Polikanov ym. esittävät yksityiskohtaisen katsauksen ribosomiin kohdistuvista peptidi-antibiooteista painottaen erityisesti kunkin lääkeaineen vuorovaikutusta joko pienen (30S) tai ison (50S) ribosomin alayksikön kanssa ja vaikutusmekanismia. Näistä antibiooteista kertyvä tieto, mukaan lukien korkearesoluutioiset ribosomin ja lääkkeen väliset rakenteet, tarjoaa mahdollisuuksia kehittää parempia, seuraavan sukupolven antibiootteja, joilla on tehostettu aktiivisuus ja, muokkaamalla ribosomin inaktivoinnin kannalta tarpeettomia alueita, parannuksia muissa ominaisuuksissa, kuten imeytymisessä/pidätyskyvyssä tai vähäisemmässä myrkyllisyydessä.

Tetrasykliinien resistenssimekanismit ovat tunnettuja.Tetrasykliinejä, lääkkeitä, jotka ovat olleet kliinisessä käytössä jo yli 60 vuotta. Effluksin, ribosomimodifikaation ja ribosomisuojaproteiinien vaikutuksen kautta tapahtuva resistenssi on hyvin tunnettu, mutta niiden vaikutuksia on onnistuttu torjumaan suunnittelemalla uudempia tetrasykliinisukupolvia, kuten tigesykliiniä. Näitä lääkkeitä uhkaa nyt kuitenkin myös tetrasykliini-inaktivoivien entsyymien ilmaantuminen, johon tässä katsauksessa keskitytään. Vastaavasti Golkar ja muut kuvaavat toisen suuren lääkeryhmän, makrolidien, kemiallisia rakenteita, vaikutusmekanismeja ja resistenssiä, jotka sitoutuvat peptidien poistumistunneliin. Tetrasykliinien tavoin makrolidit ovat alttiita resistenssille effluksin, ribosomimuutosten tai mutaatioiden ja suojaproteiinien kautta. Lisäksi niiden tehoa uhkaavat makrolideja modifioivat fosfotransferaasi- ja esteraasientsyymit, joiden rakenteet ja toiminta ovat tämän kattavan katsauksen pääaiheena.

Sulfonamidit ja β-laktamaasit: Resistance and Frontiers in Drug Development

Sulfa-lääkkeet (sulfonamidit) otettiin ensimmäisen kerran käyttöön 1930-luvulla, ja niillä on pitkä historia tehosta bakteeritauteja vastaan. Nämä lääkkeet estävät bakteerien dihydropteroaattisyntaasia (DHPS) jäljittelemällä yhtä sen substraatista, para-aminobentsoehappoa (PABA). DHPS:n mutaatiot aiheuttavat resistenssiä sulfonamideille, mutta niiden mekanismi on usein tuntematon. Griffith et al. tunnistavat viisi DHPS:n mutaatiota, jotka liittyvät Staphylococcus aureus -bakteerin sulfonamidiresistenssiin, ja tutkivat niiden vaikutuksia kantojen herkkyyteen ja kuntoon sekä entsyymin kinetiikkaan. Kolme mutaatioista edistää resistenssiä estämällä steriilisti sulfonamidien ulomman rengasosan, kun taas kaksi muuta lisää kannan kuntoa. Työ paljastaa sulfonamidien kriittisen heikkouden, jolla on vaikutuksia lääkesuunnitteluun: resistenssimutaatiot kohdistuvat mikrobilääkkeen siihen osaan, joka on sen tehon kannalta tärkein.

Keskustelu mikrobilääkeresistenssistä ei olisi täydellistä mainitsematta β-laktamaaseja, jotka ovat yleinen resistenssimekanismi bakteereissa, mukaan lukien ESKAPE-patogeenit. Nämä entsyymit hydrolysoivat β-laktaamiantibiootteja ennen kuin ne pääsevät molekyylikohteisiinsa, niin sanottuihin penisilliiniä sitoviin proteiineihin. Palzkill selittää katsauksessaan molekulaarista perustaa kolmen tärkeän A-luokan β-laktamaasiryhmän (TEM-, CTX-M- ja KPC-entsyymien) erilaisille spesifisyyksille oksamino-kefalosporiineille. Hän korostaa mutaatioita, jotka lisäävät näiden entsyymien aktiivisten paikkojen konformaatioheterogeenisuutta kefalosporiineja varten, sekä globaalien suppressorimutaatioiden olemassaoloa muualla proteiinissa stabiliteetin menetyksen kompensoimiseksi. Lopuksi van den Akker ja Bonomo kuvaavat katsauksessaan useiden ryhmien mittavia ponnisteluja β-laktaamaasi-inhibiittorien kehittämiseksi, joista viisi on hyväksytty kliiniseen käyttöön. He korostavat sellaisten strategioiden menestystä, joissa hyödynnetään entsyymimekanismin erityisiä näkökohtia näiden kriittisten mikrobilääkkeiden suunnittelussa.

Tekijöiden panos

Kaikki luetellut kirjoittajat ovat antaneet merkittävän, suoran ja älyllisen panoksensa työhön ja hyväksyneet sen julkaistavaksi.

Rahoitus

Tekijöiden laboratorioissa tehtyä tutkimusta ovat tukeneet National Institutes of Healthin apurahat R01-GM066861 (CD:lle) ja R01-AI088025 (GC:lle) sekä BBSRC:n apuraha BB/N002776/1 ja Wellcome Trustin apuraha 108372/A/15/Z (VB:lle).

Erittely eturistiriidoista

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Kiitokset

Tahdomme välittää kiitoksemme kaikille kirjoittajille, jotka osallistuivat tähän tutkimusaiheeseen, sekä lukuisille arvioitsijoille heidän oivaltavista kommenteistaan.