Frontiers in Molecular Biosciences

Az antibiotikum-rezisztens baktériumok évente több millió nehezen kezelhető fertőzésért felelősek. Amióta az antibiotikum “csodaszerek” először kerültek klinikai használatba, a rezisztencia szorosan követte őket; a közelmúltban ezt a problémát nagymértékben súlyosbította az antibiotikumok kiterjedt használata a gyógyászatban és a mezőgazdaságban, valamint a baktériumpopulációk figyelemre méltó képessége a gyors fejlődésre és a genetikai anyagcserére. A multidrog-rezisztencia (MDR) terjedése az újonnan engedélyezett vagy fejlesztés alatt álló kezelések csökkenő elérhetőségével párosulva azzal fenyeget, hogy alapvetően megváltoztatja a fertőzések kezelésére vonatkozó képességeinket. A jelenben hozott intézkedéseken múlik, hogy az elkövetkező évtizedekben valósággá válnak-e a legpesszimistább előrejelzések az “antibiotikumok utáni korszakról”. Ez a kutatási téma olyan cikkeket gyűjt egybe, amelyek kiemelik a strukturális biológia és a kapcsolódó megközelítések legújabb hozzájárulásait az antibiotikum-rezisztencia és a baktériumok által a kulcsfontosságú sejtstruktúrákat, komplexeket vagy útvonalakat célzó gyógyszerekkel szemben alkalmazott alkalmazkodás megértéséhez, valamint az e rezisztencia-mechanizmusok ellen irányuló gyógyszerfejlesztési erőfeszítéseket. Az ilyen megközelítésekből származó új meglátások valószínűleg döntő fontosságúak lesznek a meglévő rezisztencia-mechanizmusok leküzdésére irányuló stratégiák kidolgozására és az új antibiotikum-fejlesztés célpontjainak azonosítására irányuló jövőbeli erőfeszítések során.

Efflux szivattyúk és transzporterek

A protonokkal működő másodlagos transzporterek Resistance-Nodulation-Division (RND) családja köré épülő hármas tagozódás kiemelkedő MDR-szerepet játszik a Gram-negatív baktériumokban. Bár az RND-összeállítások a közelmúltban egy dedikált Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016) középpontjában álltak, strukturális biológiájuk az egyik leggyorsabban fejlődő irányzat az MDR területén, és ebben a gyűjteményben két fontos kísérleti tanulmányról számolunk be.

Először Zwama et al. röntgenkrisztallográfiával boncolgatják a 8-as transzmembránhélix és a PC2 szubdomén határán található úgynevezett emelőhurok szerepét az RND család prototípusos tagjában, az AcrB-ben. Ez a tanulmány bemutatja, hogy e hurok véletlenszerű tekercs-α-hélix átmenete hogyan vezet a gyógyszercsatorna bejáratának megnyitásához és bezárásához. Lényeges, hogy ez a munka megvilágítja a funkcionális RND-pumpaciklussal kapcsolatos egyik utolsó problémás területet, nevezetesen az RND-transzporterek távoli régiói közötti energiatranszdukciót és konformációs csatolást.

A másik állandó kérdés az RND-k területén az e pumpák által biztosított, látszólag széles szubsztrátspecifitás szerkezeti alapja. Ramaswamy és munkatársai ezt a kérdést a Pseudomonas aeruginosa központi jelentőségű RND-transzportereinek, a MexB-nek és a MexY-nek a molekuladinamikai szimulációjával vizsgálják. A tanulmány jellemzi e transzporterek és szubsztrátjaik potenciális kötőzsebeit, ami az elektrosztatikus komplementaritáselemzés innovatív alkalmazásával lehetővé teszi a szerzők számára, hogy feltárják az e transzporterek közötti kulcsfontosságú különbségeket. Fontos, hogy a főbb P. aeruginosa transzporterek ezen első összehasonlító tanulmánya arra utal, hogy a szoros konformer mély kötőzsebe központi szerepet játszik a szubsztrát-szelektivitásban.

Míg az RND-transzporterek szerepét az effluxban és a tripartit összeszerelésben széles körben tanulmányozták, addig a közelmúltig sokkal kevesebbet tudtak a tripartit összeszerelésben résztvevő ABC-transzporter család tagjainak szerkezeti szerveződéséről. A Greene és munkatársai által készített széleskörű áttekintés szintetizálja a MacB-családba tartozó ABC-transzporterek szerkezetével és működésével kapcsolatos legújabb eredményeket, amelyek egyedülálló, a makrolidok kiáramlásában és a fehérjeexportban szerepet játszó tripartit összeállítást alkotnak. A szerzők a funkcionális mechanotranszport egy izgalmas új modelljét mutatják be, és tárgyalják a más patogén baktériumok homológ tripartit rendszereivel való kapcsolatokat, amelyek hasonlóan exportálnak fehérje-szerű jelzőmolekulákat, virulenciafaktorokat és sziderofórokat.

Az effluxszivattyúk genetikai szabályozása a rezisztencia egyik kulcsfontosságú mechanizmusa, a hozzájuk kapcsolódó transzkripciós szabályozók pedig ígéretes terápiás célpontok, és mégis, ez továbbra is az MDR egyik legkevésbé jól ismert területe. Ezt a hiányt áthidalva Issa és munkatársai átfogó áttekintést nyújtanak a P. aeruginosa regulátorcsaládok, köztük a TetR, LysR, MarR, AraC családok egykomponensű rendszerszabályozói és a kétkomponensű rendszerek (TCS) regulátorcsaládjainak strukturális biológiájában elért legújabb eredményekről. Egy kapcsolódó munkában Milton és munkatársai a molekuláris modellezést biokémiai és celluláris vizsgálatokkal kombinálják, hogy javaslatot tegyenek a TCS válaszreagáló regulátorok és a 2-aminoimidazol vegyületek közötti kölcsönhatás lehetséges mechanizmusára, amely gátolhatja a bakteriális biofilmképződést, szétoszlathatja a már kialakult biofilmeket, és újra érzékennyé teheti az MDR baktériumokat az antibiotikumokkal szemben. Ez a tanulmány két fontos kórokozóra, az Acinetobacter baumannii-ra és a Francisella tularensisre összpontosít, és ígéretes új betekintést nyújt ebbe a lehetséges új terápiás útba.

Cellfalváltozások

A baktérium sejtburok szerkezetének, és különösen a lipopoliszacharid (LPS) külső membránréteg lipid A (endotoxin) komponensének komplex szerepét a baktériumok fogékonyságának modulálásában a gazdaszervezet antimikrobiális szerekkel, például kationos antimikrobiális peptidekkel szemben Kahler és munkatársai alapos áttekintést adnak. Az LPS szerepe a bakteriális patogenezisben és az immunológiai kitérésben az utóbbi időben fokozott figyelem középpontjába került, és ez a munka időszerű összefoglalást nyújt a patogén Neisseria-törzsekben az A lipid foszfoetanolamin díszítésének hatásairól és a felelős EptA-enzim terápiás célú megcélzásának lehetőségeiről.

A baktériumok egy másik módja a külső ágensekkel szembeni védekezésnek a peptidoglikán (PG) sejtfal megváltoztatása, és egy jól ismert példa erre a PG D-Ala részének D-laktátra való cseréje, amely az enterococcusokban a vancomycin-rezisztenciát biztosítja. Yadav és munkatársai áttekintő cikkükben kifejtik, hogy a PG különböző kémiai módosításai hogyan segítik a baktériumok védelmét a gazdaszervezet által generált antimikrobás szerekkel, például a lizozimmal és más hidrolitikus enzimekkel, valamint az antibiotikumokkal szemben. Az ilyen ismeretek segíthetnek az új terápiás megközelítések irányításában, amelyek gyengítik a baktériumok sejtfalát és növelik a meglévő antibiotikumokkal szembeni fogékonyságot.

Riboszómákat célzó antibiotikumok és rezisztencia mechanizmusok

A riboszómák olyan alapvető RNS-fehérje komplexek, amelyek minden sejtben felelősek a fehérjeszintézisért. A bakteriális riboszóma egyedi aspektusai azonban lehetővé teszik olyan specifikus antibiotikumok alkalmazását, amelyek a riboszóma működésének minden aspektusába beavatkoznak. Ezek a kémiailag változatos gyógyszerek évtizedek óta klinikai arzenálunk fontos részét képezik, és itt három cikk foglalkozik a hatásukkal és a kapcsolódó rezisztencia-mechanizmusokkal.

Polikanov és munkatársai részletes áttekintést nyújtanak a riboszómát célzó peptid-antibiotikumokról, különös hangsúlyt fektetve az egyes gyógyszerek kis (30S) vagy nagy (50S) riboszóma alegységgel való kölcsönhatására és hatásmechanizmusára. Az ezekről az antibiotikumokról felhalmozódó információk, beleértve a nagy felbontású riboszóma-gyógyszer szerkezeteket is, lehetőséget kínálnak olyan továbbfejlesztett, következő generációs antibiotikumok kifejlesztésére, amelyek fokozott aktivitással rendelkeznek, és a riboszóma inaktiválásához nélkülözhető régiók módosítása révén más tulajdonságok, például a felvétel/visszatartás vagy a csökkent toxicitás javulását eredményezik.

Markley és Wencewicz leírja a több mint 60 éve klinikai használatban lévő tetraciklinekkel szembeni rezisztencia ismert mechanizmusait. Az effluxon, a riboszómamódosításon és a riboszómavédő fehérjék hatásán keresztüli rezisztencia jól ismert, de ezek hatásait sikeresen ellensúlyozták a tetraciklinek újabb generációinak, például a tigeciklinnek a tervezésével. Most azonban ezeket a gyógyszereket is veszélyezteti a tetraciklin-inaktiváló enzimek megjelenése, amelyek e felülvizsgálat középpontjában állnak. Hasonlóképpen, Golkar és munkatársai leírják a peptidkilépő alagútban kötődő gyógyszerek másik fő osztályának, a makrolidoknak a kémiai szerkezetét, hatásmechanizmusát és rezisztenciáját. A tetraciklinekhez hasonlóan a makrolidok is ki vannak téve az effluxon, a riboszóma módosításán vagy mutációján, valamint a védőfehérjéken keresztüli rezisztenciának. Emellett hatékonyságukat a makrolidokat módosító foszfotranszferáz és észteráz enzimek is veszélyeztetik, amelyek szerkezete és aktivitása áll ennek az átfogó áttekintésnek a középpontjában.

Szulfonamidok és β-laktamázok: Resistance and Frontiers in Drug Development

A szulfa szereket (szulfonamidok) először az 1930-as években vezették be, és hosszú múltra tekint vissza a bakteriális betegségek elleni hatékonyságuk. Ezek a gyógyszerek gátolják a bakteriális dihidropteroát-szintázt (DHPS) azáltal, hogy utánozzák annak egyik szubsztrátját, a para-aminobenzoesavat (PABA). A DHPS mutációi rezisztenciát okoznak a szulfonamidokkal szemben, de mechanizmusuk gyakran ismeretlen. Griffith és munkatársai a DHPS öt olyan mutációját azonosítják, amelyek Staphylococcus aureusban szulfonamidrezisztenciával járnak, és vizsgálják a törzsek érzékenységére és fitneszére, valamint az enzim kinetikájára gyakorolt hatásukat. A mutációk közül három a szulfonamidok külső gyűrűs részének sterikus blokkolásával járul hozzá a rezisztenciához, míg a másik kettő növeli a törzs fitneszét. A munka feltárja a szulfonamidok egy kritikus gyengeségét, ami hatással van a gyógyszertervezésre: a rezisztenciamutációk az antimikrobiális szer azon részét célozzák, amely a legfontosabb a hatékonyság szempontjából.

Az antimikrobiális rezisztencia tárgyalása nem lenne teljes a β-laktamázok említése nélkül, amelyek a baktériumok, köztük az ESKAPE-kórokozók rezisztenciájának gyakori mechanizmusa. Ezek az enzimek hidrolizálják a β-laktám antibiotikumokat, mielőtt azok elérnék molekuláris célpontjaikat, az úgynevezett penicillinkötő fehérjéket. Palzkill áttekintésében elmagyarázza az A osztályú β-laktamázok három fontos csoportja (a TEM, a CTX-M és a KPC enzimek) oxiamino-kefaloszporinok iránti eltérő specifitásának molekuláris alapjait. Kiemeli azokat a mutációkat, amelyek növelik a konformációs heterogenitást ezen enzimek aktív helyein belül a cefalosporinok befogadására, valamint a globális szupresszor mutációk létezését a fehérje más részein, amelyek kompenzálják a stabilitásvesztést. Végezetül van den Akker és Bonomo áttekintésükben leírják számos csoport kiterjedt erőfeszítéseit a β-laktamáz inhibitorok kifejlesztésére, köztük öt klinikai használatra engedélyezettet. Hangsúlyozzák az enzimmechanizmus specifikus aspektusait kihasználó stratégiák sikerét e kritikus antimikrobiális szerek tervezése során.

A szerzők hozzájárulása

A felsorolt szerzők mindegyike jelentősen, közvetlenül és intellektuálisan hozzájárult a munkához, és jóváhagyta annak közzétételét.

Finanszírozás

A szerzők laboratóriumaiban végzett kapcsolódó kutatásokat a National Institutes of Health R01-GM066861 (CD-nek) és R01-AI088025 (GC-nek), valamint a BBSRC BB/N002776/1 és a Wellcome Trust 108372/A/15/Z (VB-nek) ösztöndíjai támogatják.

Interdekütközésre vonatkozó nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Köszönet

Szeretnénk kifejezni elismerésünket minden szerzőnek, aki részt vett ebben a kutatási témában, valamint a számos bírálónak az értő megjegyzéseikért.