Frontiers in Molecular Biosciences

Bakterie odolné vůči antibiotikům jsou každoročně zodpovědné za miliony těžko léčitelných infekcí. Od doby, kdy byly antibiotické „zázračné léky“ poprvé zavedeny do klinického použití, je rezistence těsně následovala; v poslední době tento problém značně zhoršilo jejich rozsáhlé používání v lékařství a zemědělství v kombinaci s pozoruhodnou schopností bakteriálních populací rychle se vyvíjet a vyměňovat si genetický materiál. Nárůst multirezistence (MDR) spolu s klesající dostupností nově schválených nebo vyvíjených léků hrozí, že zásadně změní naši schopnost léčit infekce. To, zda se nejpesimističtější předpovědi budoucí „postantibiotické éry“ stanou v příštích desetiletích skutečností, bude záviset na opatřeních přijatých v současnosti. V tomto tématu výzkumu jsou shromážděny články, které upozorňují na nedávný přínos strukturní biologie a souvisejících přístupů k našemu porozumění rezistenci vůči antibiotikům a adaptacím, které bakterie používají proti lékům zaměřeným na klíčové buněčné struktury, komplexy nebo dráhy, a také na snahy o vývoj léků proti těmto mechanismům rezistence. Nové poznatky z těchto přístupů budou mít pravděpodobně zásadní význam v budoucím úsilí o vývoj strategií k překonání stávajících mechanismů rezistence a o identifikaci cílů pro vývoj nových antibiotik.

Efluxní pumpy a transportéry

Trojité sestavy vytvořené kolem rodiny sekundárních transportérů RND (Resistance-Nodulation-Division) poháněných protonem hrají u gramnegativních bakterií významnou roli v oblasti MDR. Zatímco sestavy RND byly předmětem nedávného specializovaného tématu Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016), jejich strukturní biologie je jedním z nejrychleji se rozvíjejících směrů v oblasti MDR a v rámci tohoto souboru jsou uvedeny dvě důležité experimentální studie.

První, Zwama et al. používají rentgenovou krystalografii k rozčlenění role tzv. zvedací smyčky, která se nachází na hranici transmembránového helixu 8 a subdomény PC2, v prototypickém členu rodiny RND AcrB. Tato studie ukazuje, jak přechod náhodné spirály naα-helix této smyčky vede k otevírání a zavírání vstupu do lékového kanálu. Zásadní je, že tato práce objasňuje jednu z posledních zbývajících problematických oblastí týkajících se funkčního cyklu RND-pumpy, a to přenos energie a konformační spojení mezi vzdálenými oblastmi RND-transportérů.

Další přetrvávající otázkou v oblasti RND je strukturní základ zdánlivé široké substrátové specifity, kterou tyto pumpy poskytují. Ramaswamy a spol. se touto otázkou zabývají pomocí simulací molekulární dynamiky centrálně důležitých RND-transportérů MexB a MexY z Pseudomonas aeruginosa. Tato studie charakterizuje potenciální vazebné kapsy těchto transportérů a jejich substrátů, což díky inovativnímu využití analýzy elektrostatické komplementarity umožňuje autorům odhalit klíčové rozdíly mezi těmito transportéry. Importantly, this first comparative study of the major P. aeruginosa transporters suggests that the deep binding pocket of the tight conformer plays a central role in substrate selectivity.

Ačkoli role RND transportérů v efluxu a tripartitních sestavách byla rozsáhle studována, donedávna bylo mnohem méně známo o strukturní organizaci členů rodiny ABC-transportérů účastnících se tripartitních sestav. Rozsáhlý přehled Greenea a kol. syntetizuje nedávné pokroky ve struktuře a funkci ABC-transportérů rodiny MacB, které tvoří jedinečné tripartitní sestavy s úlohou v efluxu makrolidů a exportu proteinů. Autoři poskytují dráždivý nový model funkčního mechanotransmise a diskutují souvislosti s homologními tripartitními systémy jiných patogenních bakterií, které podobně exportují signální molekuly podobné proteinům, faktory virulence a siderofory.

Genetická regulace efluxních pump je klíčovým mechanismem rezistence, přičemž s nimi spojené transkripční regulátory se ukazují jako slibné terapeutické cíle, a přesto zůstává jednou z nejméně probádaných oblastí MDR. Issa a kol. podávají ucelený přehled nedávného pokroku ve strukturní biologii rodin regulátorů u P. aeruginosa, včetně regulátorů jednosložkových systémů rodin TetR, LysR, MarR, AraC a rodin regulátorů dvousložkových systémů (TCS). V související práci Milton a kol. kombinují molekulární modelování s biochemickými a buněčnými studiemi a navrhují potenciální mechanismus interakce mezi regulátory odpovědi TCS a sloučeninami 2-aminoimidazolu, které mohou inhibovat tvorbu bakteriálního biofilmu, rozptylovat již vytvořené biofilmy a znovu senzibilizovat MDR bakterie k antibiotikům. Tato studie se zaměřuje na dva významné patogeny, Acinetobacter baumannii a Francisella tularensis, a poskytuje slibné nové poznatky o této potenciální nové terapeutické cestě.

Změny buněčné stěny

Komplexní úloha, kterou hraje struktura bakteriálního buněčného obalu, a zejména lipidová složka A (endotoxin) vnější membránové vrstvy lipopolysacharidu (LPS), při modulaci citlivosti bakterií vůči hostitelským antimikrobiálním látkám, jako jsou kationické antimikrobiální peptidy, je předmětem podrobného přehledu Kahlera et al.. Úloze LPS v bakteriální patogenezi a imunologickém úniku je v poslední době věnována zvýšená pozornost a tato práce přináší aktuální shrnutí poznatků o účincích fosfoetanolaminové výzdoby lipidu A u patogenních kmenů Neisseria a o možnostech zacílení odpovědného enzymu EptA pro terapeutické účely.

Dalším způsobem, jak se bakterie chrání proti vnějším činitelům, je změna buněčné stěny peptidoglykanu (PG) a známým příkladem je záměna D-Ala části PG za D-laktát, která enterokokům propůjčuje rezistenci vůči vankomycinu. Yadav a spol. ve svém přehledovém článku vysvětlují, jak různé chemické modifikace PG pomáhají bránit bakterie proti antimikrobiálním látkám vytvářeným hostitelem, jako je lysozym a další hydrolytické enzymy, a také proti antibiotikům. Tyto poznatky mohou pomoci řídit nové terapeutické přístupy, které oslabují buněčnou stěnu bakterií a zvyšují citlivost vůči stávajícím antibiotikům.

Ribosomy cílené na antibiotika a mechanismy rezistence

Ribosomy jsou základní komplexy RNA-protein zodpovědné za syntézu proteinů ve všech buňkách. Jedinečné aspekty bakteriálního ribosomu však umožňují, aby specifická antibiotika zasahovala do všech aspektů funkce ribosomu. Tato chemicky různorodá léčiva jsou již po mnoho desetiletí hlavní součástí našeho klinického arzenálu a tři články zde se zaměřují na jejich působení a související mechanismy rezistence.

Polikanov a kol. podávají podrobný přehled peptidových antibiotik zaměřených na ribozomy se zvláštním důrazem na interakci každého léčiva s malou (30S) nebo velkou (50S) podjednotkou ribozomu a mechanismus účinku. Hromadící se informace o těchto antibiotikách, včetně struktur s vysokým rozlišením mezi ribozomem a léčivem, nabízejí možnosti vývoje vylepšených antibiotik nové generace se zvýšenou aktivitou a díky modifikaci oblastí, které jsou pro inaktivaci ribozomu nepotřebné, i zlepšení dalších vlastností, jako je absorpce/retenze nebo snížená toxicita.

Markley a Wencewicz popisují známé mechanismy rezistence vůči tetracyklinům, léčivům, která se klinicky používají již více než 60 let. Rezistence prostřednictvím efluxu, modifikace ribozomů a působení proteinů chránících ribozomy jsou dobře známé, ale jejich účinkům se podařilo úspěšně čelit díky konstrukci novějších generací tetracyklinů, jako je tigecyklin. Tyto léky jsou však nyní také ohroženy vznikem enzymů inaktivujících tetracykliny, které jsou hlavním předmětem tohoto přehledu. Podobně Golkar a kol. popisují chemické struktury, mechanismy účinku a rezistenci u druhé hlavní třídy léčiv, makrolidů, které se vážou v peptidovém výstupním tunelu. Stejně jako tetracykliny podléhají makrolidy rezistenci prostřednictvím efluxu, modifikace nebo mutace ribozomů a ochranných proteinů. Kromě toho jejich účinnost ohrožují také enzymy fosfotransferázy a esterázy modifikující makrolidy, jejichž struktura a aktivita jsou hlavním předmětem tohoto souhrnného přehledu.

Sulfonamidy a β-laktamázy: Sulfamidy: rezistence a hranice ve vývoji léčiv

Sulfa léčiva (sulfonamidy) byla poprvé uvedena na trh ve 30. letech 20. století a mají dlouhou historii účinnosti proti bakteriálním onemocněním. Tato léčiva inhibují bakteriální dihydropteroát syntázu (DHPS) tím, že napodobují jeden z jejích substrátů, kyselinu para-aminobenzoovou (PABA). Mutace v DHPS způsobují rezistenci k sulfonamidům, ale jejich mechanismus je často neznámý. Griffith a spol. identifikují pět mutací DHPS spojených s rezistencí k sulfonamidům u Staphylococcus aureus a zkoumají jejich vliv na citlivost a zdatnost kmene a kinetiku enzymu. Tři z mutací přispívají k rezistenci tím, že stericky blokují vnější kruhovou část sulfonamidů, zatímco další dvě zvyšují fitness kmene. Práce odhaluje kritickou slabinu sulfonamidů s důsledky pro návrh léků: mutace rezistence se zaměřují na tu část antimikrobiální látky, která je pro její účinnost nejdůležitější.

Diskuse o antimikrobiální rezistenci by nebyla úplná bez zmínky o β-laktamázách, běžném mechanismu rezistence u bakterií, včetně patogenů ESKAPE. Tyto enzymy hydrolyzují β-laktamová antibiotika dříve, než dosáhnou svých molekulárních cílů, tzv. proteinů vázajících penicilin. Palzkill ve svém přehledu vysvětluje molekulární základ rozdílné specifity tří důležitých skupin β-laktamáz třídy A (enzymy TEM, CTX-M a KPC) pro oxyamino-cefalosporiny. Zdůrazňuje mutace, které zvyšují konformační heterogenitu v aktivních místech těchto enzymů, aby se přizpůsobily cefalosporinům, a existenci globálních supresorových mutací v jiných částech proteinu, které kompenzují ztrátu stability. Nakonec van den Akker a Bonomo ve svém přehledu popisují rozsáhlé úsilí řady skupin o vývoj inhibitorů β-laktamáz, včetně pěti inhibitorů schválených pro klinické použití. Zdůrazňují úspěch strategií, které využívají specifické aspekty enzymového mechanismu při návrhu těchto kritických antimikrobiálních látek.

Příspěvky autorů

Všichni uvedení autoři se na práci významně, přímo a intelektuálně podíleli a schválili ji k publikaci.

Financování

Související výzkum v laboratořích autorů je podporován granty National Institutes of Health R01-GM066861 (pro CD) a R01-AI088025 (pro GC) a granty BBSRC BB/N002776/1 a Wellcome Trust 108372/A/15/Z (pro VB).

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

Poděkování

Rádi bychom vyjádřili své poděkování všem autorům, kteří se podíleli na tomto výzkumném tématu, a také mnoha recenzentům za jejich zasvěcené připomínky.