Frontiers in Molecular Biosciences

Antibioticaresistente bacteriën zijn verantwoordelijk voor miljoenen moeilijk te behandelen infecties per jaar. Sinds antibiotica “wondermiddelen” voor het eerst klinisch werden gebruikt, is resistentie op de voet gevolgd; meer recentelijk is dit probleem sterk verergerd door hun uitgebreide gebruik in de geneeskunde en de landbouw, gecombineerd met het opmerkelijke vermogen van bacteriële populaties om snel te evolueren en genetisch materiaal uit te wisselen. De toename van multidrug-resistentie (MDR), in combinatie met de afnemende beschikbaarheid van nieuwe goedgekeurde of in ontwikkeling zijnde behandelingen, dreigt ons vermogen om infecties te behandelen fundamenteel te veranderen. Of de meest pessimistische voorspellingen van een toekomstig “post-antibiotisch tijdperk” in de komende decennia werkelijkheid worden, zal afhangen van de acties die in het heden worden ondernomen. In dit onderzoeksthema worden artikelen bijeengebracht die de aandacht vestigen op de recente bijdragen van de structurele biologie en aanverwante benaderingen tot ons begrip van antibioticaresistentie en de aanpassingen die bacteriën toepassen tegen geneesmiddelen die gericht zijn tegen belangrijke celstructuren, -complexen of -routes, alsook op de inspanningen op het gebied van geneesmiddelenontwikkeling om deze resistentiemechanismen tegen te gaan. Nieuwe inzichten uit dergelijke benaderingen zullen waarschijnlijk van cruciaal belang zijn bij toekomstige inspanningen om strategieën te ontwikkelen om bestaande resistentiemechanismen te overwinnen en om doelen te identificeren voor de ontwikkeling van nieuwe antibiotica.

Effluxpompen en -transporters

De tripartiete assemblages gebouwd rond de Resistance-Nodulation-Division (RND) familie van proton-aangedreven secundaire transporters spelen een prominente MDR rol bij Gram-negatieve bacteriën. Terwijl RND-assemblages een focus zijn geweest van een recent gewijd Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016), is hun structurele biologie een van de snelst vorderende richtingen binnen het MDR-veld en twee belangrijke experimentele studies worden gerapporteerd binnen deze collectie.

Eerst gebruiken Zwama et al. röntgenkristallografie om de rol van de zogenaamde hijslus te ontleden, gelegen op de grens van transmembraanhelix 8 en het PC2-subdomein, in het prototypische RND-familielid AcrB. Deze studie toont aan hoe de willekeurige spoel-naar-α-helix overgang van deze lus leidt tot het openen en sluiten van de geneesmiddel-kanaal ingang. Cruciaal is dat dit werk één van de laatste overblijvende probleemgebieden betreffende de functionele RND-pomp cyclus opheldert, namelijk de energie-transductie en conformationele koppeling tussen afgelegen regio’s van de RND-transporters.

Een andere hardnekkige vraag binnen het RND veld is de structurele basis voor de schijnbare breed-substraat specificiteit die deze pompen bieden. Ramaswamy et al. gaan hierop in met behulp van moleculaire dynamica simulaties van de centraal belangrijke RND-transporters MexB en MexY van Pseudomonas aeruginosa. Deze studie karakteriseert de potentiële bindingsplaatsen van deze transporters en hun substraten waardoor, door innovatief gebruik van elektrostatische complementariteitsanalyse, de auteurs belangrijke verschillen tussen deze transporters kunnen blootleggen. Belangrijk is dat deze eerste vergelijkende studie van de belangrijkste P. aeruginosa transporters suggereert dat de diepe bindingszak van de tight conformer een centrale rol speelt in de substraatselectiviteit.

Terwijl de rol van RND transporters in efflux en tripartiete assemblages uitgebreid werd bestudeerd, was er tot voor kort veel minder bekend over de structurele organisatie van de ABC-transporter familieleden die deelnemen aan tripartiete assemblages. Een uitgebreid overzicht door Greene et al. geeft een overzicht van de recente vooruitgang in structuur en functie van de MacB-familie van ABC-transporters, die unieke tripartiete assemblages vormen met een rol in macrolide efflux en eiwitexport. De auteurs geven een prikkelend nieuw model van functionele mechanotransmissie en bespreken de verbanden met homologe tripartiete systemen van andere pathogene bacteriën, die op vergelijkbare wijze eiwit-achtige signaalmoleculen, virulentiefactoren, en sideroforen exporteren.

Genetische regulatie van efflux pompen is een sleutelmechanisme van resistentie, met hun geassocieerde transcriptionele regulatoren die opduiken als veelbelovende therapeutische doelwitten, en toch blijft dit een van de minst goed begrepen gebieden in MDR. Issa et al. overbruggen deze kloof en geven een uitgebreid overzicht van de recente vooruitgang in de structurele biologie van regulator families in P. aeruginosa, inclusief de één-component systeem regulatoren van de TetR, LysR, MarR, AraC families, en twee-component systeem (TCS) families van regulatoren. In een verwant werk combineren Milton et al. moleculaire modellering met biochemische en cellulaire studies om een potentieel interactiemechanisme voor te stellen tussen TCS-responsregulatoren en 2-aminoimidazolverbindingen die de vorming van bacteriële biofilms kunnen afremmen, reeds gevormde biofilms kunnen verspreiden en MDR-bacteriën opnieuw gevoelig kunnen maken voor antibiotica. Deze studie richt zich op twee belangrijke ziekteverwekkers, Acinetobacter baumannii en Francisella tularensis, en biedt veelbelovende nieuwe inzichten in deze potentiële nieuwe therapeutische weg.

Celwandveranderingen

De complexe rol van de bacteriële celomhulselstructuur, en in het bijzonder de lipide A (endotoxine) component van lipopolysaccharide (LPS) buitenmembraanlaag, in het moduleren van de bacteriële gevoeligheid voor gastheer antimicrobiële stoffen zoals kationische antimicrobiële peptiden, is het onderwerp van een diepgaande bespreking door Kahler et al. De rol van LPS in bacteriële pathogenese en immunologische ontwijking is onlangs de focus van verhoogde aandacht en dit werk biedt een tijdige samenvatting van de kennis van de effecten van fosfo-ethanolamine decoratie van lipide A in pathogene Neisseria stammen en het potentieel van het richten van het EptA-enzym verantwoordelijk voor therapeutische doeleinden.

Een andere manier waarop bacteriën zich tegen externe agentia beschermen is door de peptidoglycaan (PG) celwand te veranderen en een bekend voorbeeld is het vervangen van het D-Ala gedeelte van PG door D-lactaat om vancomycine-resistentie in enterococcen te verkrijgen. In hun overzichtsartikel leggen Yadav et al. uit hoe verschillende chemische modificaties van PG helpen bacteriën te beschermen tegen door de gastheer gegenereerde antimicrobiële stoffen, zoals lysozym en andere hydrolytische enzymen, alsmede antibiotica. Dergelijke kennis kan helpen bij het sturen van nieuwe therapeutische benaderingen die de bacteriële celwand verzwakken en de gevoeligheid voor bestaande antibiotica verhogen.

Ribosoom-gerichte antibiotica en resistentiemechanismen

Ribosomen zijn de essentiële RNA-eiwitcomplexen die verantwoordelijk zijn voor de eiwitsynthese in alle cellen. Door unieke aspecten van het bacteriële ribosoom zijn echter specifieke antibiotica mogelijk die interfereren met elk aspect van de ribosoomfunctie. Deze chemisch diverse geneesmiddelen zijn al vele decennia een belangrijk onderdeel van ons klinisch arsenaal en drie artikelen hier richten zich op hun werking en bijbehorende resistentiemechanismen.

Polikanov et al. geven een gedetailleerd overzicht van ribosoom-gerichte peptide-antibiotica, met specifieke nadruk op de interactie van elk geneesmiddel met ofwel de kleine (30S) of grote (50S) ribosoom-subeenheid en het werkingsmechanisme. Het verzamelen van informatie over deze antibiotica, met inbegrip van hoge-resolutie ribosoom-drug structuren, biedt mogelijkheden voor het ontwikkelen van verbeterde, volgende generatie antibiotica met verbeterde activiteit en, door modificatie van regio’s die overbodig zijn voor ribosoom inactivatie, verbeteringen in andere eigenschappen zoals opname/retentie of verminderde toxiciteit.

Markley en Wencewicz beschrijven de bekende mechanismen van resistentie tegen tetracyclines, geneesmiddelen die al meer dan 60 jaar klinisch worden gebruikt. Resistentie via efflux, ribosoom modificatie en de werking van ribosoom protectie proteïnen zijn goed bekend, maar hun effecten zijn met succes tegengegaan door het ontwerpen van recentere generaties tetracyclines zoals tigecycline. Deze geneesmiddelen worden nu echter ook bedreigd door de opkomst van de tetracycline-inactiverende enzymen, die in dit overzicht centraal staan. Evenzo beschrijven Golkar et al. de chemische structuren, werkingsmechanismen en resistentie voor een tweede belangrijke klasse van geneesmiddelen, de macroliden, die zich binden in de peptide uitgangstunnel. Evenals tetracyclines zijn macroliden onderhevig aan resistentie via efflux, ribosoommodificatie of -mutatie, en beschermingseiwitten. Bovendien wordt hun werkzaamheid ook bedreigd door macrolide modificerende fosfotransferase en esterase enzymen, waarvan de structuren en activiteiten de hoofdfocus vormen van deze uitgebreide review.

Sulfonamiden en β-lactamases: Resistance and Frontiers in Drug Development

Sulfa geneesmiddelen (sulfonamiden) werden voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 1930 en hebben een lange geschiedenis van werkzaamheid tegen bacteriële ziekte. Deze geneesmiddelen remmen bacterieel dihydropteroaat synthase (DHPS) door één van zijn substraten, para-aminobenzoëzuur (PABA), na te bootsen. Mutaties in DHPS veroorzaken resistentie tegen sulfonamiden, maar hun mechanisme is vaak onbekend. Griffith et al. identificeren vijf mutaties van DHPS die geassocieerd zijn met sulfonamide-resistentie in Staphylococcus aureus en onderzoeken hun invloed op stamgevoeligheid en fitness, en op de kinetiek van het enzym. Drie van de mutaties dragen bij tot resistentie door de sterische blokkering van het buitenste ringgedeelte van sulfonamiden, terwijl de andere twee de fitness van de stam verhogen. Het werk onthult een kritieke zwakte van sulfonamiden met implicaties voor het ontwerpen van geneesmiddelen: resistentiemutaties richten zich op het deel van het antimicrobiële middel dat het belangrijkst is voor de werkzaamheid.

Discussie over antimicrobiële resistentie zou niet compleet zijn zonder vermelding van β-lactamasen, een veel voorkomend resistentiemechanisme bij bacteriën, waaronder de ESKAPE-pathogenen. Deze enzymen hydrolyseren β-lactam antibiotica voordat zij hun moleculaire doelwitten, de zogenaamde penicilline-bindende proteïnen, bereiken. In zijn overzicht legt Palzkill de moleculaire basis uit voor de verschillende specificiteiten van drie belangrijke groepen van klasse A β-lactamasen (de TEM-, CTX-M- en KPC-enzymen) voor oxyamino-cefalosporines. Hij wijst op mutaties die de conformationele heterogeniteit binnen de actieve sites van deze enzymen vergroten om cefalosporines te accommoderen en op het bestaan van globale suppressormutaties elders in het eiwit om het verlies aan stabiliteit te compenseren. Tenslotte beschrijven van den Akker en Bonomo in hun overzicht de uitgebreide inspanningen van een aantal groepen om β-lactamase remmers te ontwikkelen, waaronder vijf die voor klinisch gebruik zijn goedgekeurd. Zij benadrukken het succes van strategieën die gebruik maken van specifieke aspecten van het enzymmechanisme bij het ontwerpen van deze kritische antimicrobiële middelen.

Author Contributions

Alle vermelde auteurs hebben een substantiële, directe en intellectuele bijdrage geleverd aan het werk, en hebben het goedgekeurd voor publicatie.

Funding

Gerelateerd onderzoek in de laboratoria van de auteurs wordt ondersteund door de National Institutes of Health subsidies R01-GM066861 (aan CD) en R01-AI088025 (aan GC), en BBSRC subsidie BB/N002776/1 en Wellcome Trust subsidie 108372/A/15/Z (aan VB).

Conflict of Interest Statement

De auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die zouden kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.

Acknowledgments

Wij willen onze waardering uitspreken voor alle auteurs die hebben deelgenomen aan dit onderzoeksthema, evenals voor de vele reviewers voor hun inzichtelijke commentaar.