Frontiers in Molecular Biosciences

Les bactéries résistantes aux antibiotiques sont responsables de millions d’infections difficiles à traiter chaque année. Depuis que les antibiotiques « médicaments miracles » ont été introduits dans l’usage clinique, la résistance a suivi de près ; plus récemment, ce problème a été grandement exacerbé par leur utilisation extensive en médecine et en agriculture, combinée à la remarquable capacité des populations bactériennes à évoluer rapidement et à échanger du matériel génétique. L’augmentation de la multirésistance (MDR), associée à la diminution de la disponibilité des traitements récemment approuvés ou en cours de développement, menace de modifier fondamentalement notre capacité à traiter les infections. La concrétisation des prédictions les plus pessimistes d’une « ère post-antibiotique » au cours des prochaines décennies dépendra des mesures prises dans le présent. Ce thème de recherche rassemble des articles qui mettent en lumière les contributions récentes de la biologie structurelle et des approches connexes à notre compréhension de la résistance aux antibiotiques et des adaptations utilisées par les bactéries contre les médicaments qui ciblent les structures, complexes ou voies cellulaires clés, ainsi que les efforts de développement de médicaments pour contrer ces mécanismes de résistance. Les nouvelles connaissances issues de ces approches seront probablement essentielles dans les efforts futurs pour développer des stratégies visant à surmonter les mécanismes de résistance existants et à identifier des cibles pour le développement de nouveaux antibiotiques.

Pompes d’efflux et transporteurs

Les assemblages tripartites construits autour de la famille Resistance-Nodulation-Division (RND) de transporteurs secondaires alimentés en protons jouent un rôle MDR proéminent chez les bactéries Gram-négatives. Alors que les assemblages RND ont fait l’objet d’un récent sujet de recherche Frontiers dédié (Vargiu et al., 2016), leur biologie structurale est l’une des directions qui progresse le plus rapidement dans le domaine des MDR et deux études expérimentales importantes sont rapportées dans ce recueil.

Premièrement, Zwama et al. utilisent la cristallographie aux rayons X pour disséquer le rôle de la boucle dite de hissage, située à la frontière de l’hélice 8 transmembranaire et du sous-domaine PC2, dans le membre prototypique de la famille RND, AcrB. Cette étude démontre comment la transition de la bobine aléatoire à l’héliceα de cette boucle conduit à l’ouverture et à la fermeture de l’entrée du canal médicamenteux. De manière cruciale, ce travail élucide l’une des dernières zones problématiques restantes concernant le cycle fonctionnel RND-pompe, à savoir la transduction d’énergie et le couplage conformationnel entre les régions éloignées des transporteurs RND.

Une autre question persistante dans le domaine RND est la base structurelle de l’apparente large spécificité de substrat fournie par ces pompes. Ramaswamy et al. répondent à cette question en utilisant des simulations de dynamique moléculaire des transporteurs RND MexB et MexY de Pseudomonas aeruginosa, d’importance centrale. Cette étude caractérise les poches de liaison potentielles de ces transporteurs et de leurs substrats, ce qui, par une utilisation innovante de l’analyse de complémentarité électrostatique, permet aux auteurs de révéler des différences clés entre ces transporteurs. De manière importante, cette première étude comparative des principaux transporteurs de P. aeruginosa suggère que la poche de liaison profonde du conformère serré joue un rôle central dans la sélectivité du substrat.

Alors que le rôle des transporteurs RND dans l’efflux et les assemblages tripartites a été largement étudié, jusqu’à récemment, on en savait beaucoup moins sur l’organisation structurelle des membres de la famille des transporteurs ABC participant aux assemblages tripartites. Une vaste revue par Greene et al. synthétise les progrès récents dans la structure et la fonction de la famille MacB des transporteurs ABC, qui forment des assemblées tripartites uniques jouant un rôle dans l’efflux des macrolides et l’exportation des protéines. Les auteurs fournissent un nouveau modèle alléchant de mécanotransmission fonctionnelle et discutent des liens avec les systèmes tripartites homologues d’autres bactéries pathogènes, qui exportent de manière similaire des molécules de signalisation de type protéine, des facteurs de virulence et des sidérophores.

La régulation génétique des pompes d’efflux est un mécanisme clé de la résistance, avec leurs régulateurs transcriptionnels associés émergeant comme des cibles thérapeutiques prometteuses, et pourtant, cela reste l’un des domaines les moins bien compris dans la MDR. Pour combler cette lacune, Issa et al. fournissent une revue complète des progrès récents dans la biologie structurelle des familles de régulateurs chez P. aeruginosa, y compris les régulateurs du système à un composant des familles TetR, LysR, MarR, AraC, et les familles de régulateurs du système à deux composants (TCS). Dans un travail connexe, Milton et al. combinent la modélisation moléculaire avec des études biochimiques et cellulaires pour proposer un mécanisme potentiel d’interaction entre les régulateurs de réponse TCS et les composés 2-aminoimidazole qui peuvent inhiber la formation de biofilms bactériens, disperser les biofilms préformés et re-sensibiliser les bactéries MDR aux antibiotiques. Cette étude se concentre sur deux pathogènes importants, Acinetobacter baumannii et Francisella tularensis, et fournit de nouvelles perspectives prometteuses sur cette nouvelle avenue thérapeutique potentielle.

Alterations de la paroi cellulaire

Le rôle complexe joué par la structure de l’enveloppe cellulaire bactérienne, et en particulier le composant lipide A (endotoxine) de la couche de la membrane externe du lipopolysaccharide (LPS), dans la modulation de la sensibilité bactérienne aux antimicrobiens de l’hôte tels que les peptides antimicrobiens cationiques, fait l’objet d’un examen approfondi par Kahler et al…. Le rôle des LPS dans la pathogenèse bactérienne et l’évasion immunologique a récemment fait l’objet d’une attention accrue et ce travail fournit un résumé opportun des connaissances sur les effets de la décoration du lipide A par la phosphoéthanolamine dans les souches de Neisseria pathogènes et le potentiel de ciblage de l’enzyme EptA responsable à des fins thérapeutiques.

Une autre façon pour les bactéries de se protéger contre les agents externes est de modifier la paroi cellulaire du peptidoglycane (PG) et un exemple bien connu est le remplacement de la fraction D-Ala du PG par du D-lactate pour conférer une résistance à la vancomycine chez les entérocoques. Dans leur article de synthèse, Yadav et al. expliquent comment diverses modifications chimiques du PG aident à défendre les bactéries contre les antimicrobiens générés par l’hôte, tels que le lysozyme et d’autres enzymes hydrolytiques, ainsi que les antibiotiques. Ces connaissances peuvent aider à guider de nouvelles approches thérapeutiques qui affaiblissent la paroi cellulaire bactérienne et augmentent la sensibilité aux antibiotiques existants.

Antibiotiques ciblant lesibosomes et mécanismes de résistance

Lesibosomes sont les complexes ARN-protéines essentiels responsables de la synthèse des protéines dans toutes les cellules. Cependant, des aspects uniques du ribosome bactérien permettent d’obtenir des antibiotiques spécifiques qui interfèrent avec chaque aspect de la fonction ribosomique. Ces médicaments chimiquement diversifiés ont été une composante majeure de notre arsenal clinique pendant plusieurs décennies et trois articles ici se concentrent sur leur action et les mécanismes de résistance associés.

Polikanov et al. fournissent une revue détaillée des antibiotiques peptidiques ciblant le ribosome, avec un accent spécifique sur l’interaction de chaque médicament avec la petite (30S) ou la grande (50S) sous-unité du ribosome et le mécanisme d’action. L’accumulation d’informations sur ces antibiotiques, y compris les structures ribosome-médicament à haute résolution, offre des possibilités de développer des antibiotiques améliorés, de nouvelle génération, avec une activité accrue et, par la modification des régions dispensées de l’inactivation du ribosome, des améliorations d’autres propriétés telles que l’absorption/rétention ou la réduction de la toxicité.

Markley et Wencewicz décrivent les mécanismes connus de résistance aux tétracyclines, des médicaments qui sont utilisés en clinique depuis plus de 60 ans. La résistance via l’efflux, la modification du ribosome et l’action des protéines de protection du ribosome sont bien établies, mais leurs effets ont été contrés avec succès par la conception de générations plus récentes de tétracyclines telles que la tigécycline. Cependant, ces médicaments sont aujourd’hui menacés par l’émergence des enzymes d’inactivation de la tétracycline, qui font l’objet de cette revue. De même, Golkar et al. décrivent les structures chimiques, les mécanismes d’action et la résistance d’une deuxième grande classe de médicaments, les macrolides, qui se fixent dans le tunnel de sortie des peptides. Comme les tétracyclines, les macrolides sont sujets à la résistance via l’efflux, la modification ou la mutation du ribosome, et les protéines de protection. De plus, leur efficacité est également menacée par les enzymes phosphotransférases et estérases modificatrices des macrolides, dont les structures, et les activités, constituent l’objet principal de cette revue exhaustive.

Sulfonamides et β-lactamases : Résistance et frontières du développement des médicaments

Les sulfamides (sulfonamides) ont été introduits pour la première fois dans les années 1930 et ont une longue histoire d’efficacité contre les maladies bactériennes. Ces médicaments inhibent la dihydroptéroate synthase (DHPS) bactérienne en imitant l’un de ses substrats, l’acide para-aminobenzoïque (PABA). Des mutations dans la DHPS entraînent une résistance aux sulfamides mais leur mécanisme est souvent inconnu. Griffith et al. identifient cinq mutations de la DHPS associées à la résistance aux sulfamides chez Staphylococcus aureus et étudient leurs impacts sur la sensibilité et l’aptitude de la souche, ainsi que sur la cinétique enzymatique. Trois des mutations contribuent à la résistance en bloquant stériquement la partie de l’anneau extérieur des sulfonamides, tandis que les deux autres augmentent la capacité de la souche. Ce travail révèle une faiblesse critique des sulfamides avec des implications pour la conception de médicaments : les mutations de résistance ciblent la partie de l’antimicrobien qui est la plus importante pour son efficacité.

La discussion sur la résistance aux antimicrobiens ne serait pas complète sans mentionner les β-lactamases, un mécanisme commun de résistance chez les bactéries, y compris les pathogènes ESKAPE. Ces enzymes hydrolysent les β-lactamines avant qu’elles n’atteignent leurs cibles moléculaires, les protéines de liaison à la pénicilline. Dans son article, Palzkill explique la base moléculaire des spécificités différentes de trois groupes importants de β-lactamases de classe A (les enzymes TEM, CTX-M et KPC) pour les oxyaminocéphalosporines. Il met en évidence les mutations qui augmentent l’hétérogénéité conformationnelle au sein des sites actifs de ces enzymes pour accueillir les céphalosporines et l’existence de mutations suppressives globales ailleurs dans la protéine pour compenser la perte de stabilité. Enfin, dans leur revue, van den Akker et Bonomo décrivent les efforts considérables déployés par un certain nombre de groupes pour développer des inhibiteurs de β-lactamase, dont cinq approuvés pour un usage clinique. Ils soulignent le succès des stratégies qui exploitent des aspects spécifiques du mécanisme enzymatique dans la conception de ces agents antimicrobiens critiques.

Contributions des auteurs

Tous les auteurs énumérés ont apporté une contribution substantielle, directe et intellectuelle au travail, et l’ont approuvé pour publication.

Financement

Les recherches connexes dans les laboratoires des auteurs sont soutenues par les subventions des National Institutes of Health R01-GM066861 (à CD) et R01-AI088025 (à GC), et la subvention BB/N002776/1 du BBSRC et la subvention 108372/A/15/Z du Wellcome Trust (à VB).

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Nous souhaitons transmettre notre reconnaissance à tous les auteurs qui ont participé à ce sujet de recherche, ainsi qu’aux nombreux réviseurs pour leurs commentaires perspicaces.