Frontiers in Molecular Biosciences

Bakterie oporne na antybiotyki są odpowiedzialne za miliony trudnych do wyleczenia infekcji rocznie. Od czasu, gdy antybiotykowe „cudowne leki” zostały po raz pierwszy wprowadzone do użytku klinicznego, oporność na nie podążała za nimi; ostatnio problem ten został znacznie zaostrzony przez ich szerokie zastosowanie w medycynie i rolnictwie, w połączeniu z niezwykłą zdolnością populacji bakterii do szybkiej ewolucji i wymiany materiału genetycznego. Wzrost oporności wielolekowej (MDR), w połączeniu z malejącą dostępnością nowo zatwierdzonych lub opracowywanych metod leczenia, grozi fundamentalną zmianą naszej zdolności do leczenia infekcji. To, czy najbardziej pesymistyczne przewidywania dotyczące przyszłej „ery poantybiotykowej” staną się rzeczywistością w ciągu najbliższych dziesięcioleci, będzie zależało od działań podejmowanych w teraźniejszości. W niniejszym Temacie Badawczym zebrano artykuły, które podkreślają ostatni wkład biologii strukturalnej i pokrewnych podejść w nasze zrozumienie oporności na antybiotyki i adaptacji stosowanych przez bakterie przeciwko lekom skierowanym przeciwko kluczowym strukturom komórkowym, kompleksom lub szlakom, jak również wysiłki zmierzające do opracowania leków przeciwdziałających tym mechanizmom oporności. Nowe spostrzeżenia z takich podejść będą prawdopodobnie krytyczne w przyszłych wysiłkach zmierzających do opracowania strategii pokonania istniejących mechanizmów oporności i identyfikacji celów dla rozwoju nowych antybiotyków.

Pompy zwrotne i transportery

Trójdzielne zespoły zbudowane wokół rodziny Resistance-Nodulation-Division (RND) napędzanych protonami wtórnych transporterów odgrywają znaczącą rolę w MDR u bakterii Gram-ujemnych. Podczas gdy zespoły RND były przedmiotem niedawnego tematu badawczego Frontiers (Vargiu i in., 2016), ich biologia strukturalna jest jednym z najszybciej rozwijających się kierunków w dziedzinie MDR i dwa ważne badania eksperymentalne są przedstawione w tej kolekcji.

Po pierwsze, Zwama i in. wykorzystują krystalografię rentgenowską do określenia roli tak zwanej pętli podnoszącej, zlokalizowanej na granicy transmembranowej helisy 8 i subdomeny PC2, w prototypowym członku rodziny RND – AcrB. Badania te pokazują, w jaki sposób przypadkowe przejście od spirali doα-helisy w tej pętli prowadzi do otwarcia i zamknięcia wejścia kanału lekowego. Co istotne, praca ta wyjaśnia jeden z ostatnich pozostających problematycznych obszarów dotyczących funkcjonalnego cyklu RND-pompy, a mianowicie transdukcję energii i sprzężenie konformacyjne między odległymi regionami RND-transporterów.

Innym uporczywym pytaniem w dziedzinie RND jest strukturalna podstawa pozornie szerokiej specyficzności substratowej zapewnianej przez te pompy. Ramaswamy i wsp. zajmują się tym zagadnieniem wykorzystując symulacje dynamiki molekularnej centralnie ważnych RND-transporterów MexB i MexY z Pseudomonas aeruginosa. Badania te charakteryzują potencjalne kieszenie wiążące tych transporterów i ich substraty, co dzięki nowatorskiemu zastosowaniu elektrostatycznej analizy komplementarności pozwala autorom ujawnić kluczowe różnice pomiędzy tymi transporterami. Co ważne, to pierwsze porównawcze badanie głównych transporterów P. aeruginosa sugeruje, że głęboka kieszeń wiążąca ścisłego konformera odgrywa centralną rolę w selektywności substratu.

Podczas gdy rola transporterów RND w effluxie i trójstronnych zespołach została szeroko zbadana, do niedawna znacznie mniej było wiadomo o strukturalnej organizacji członków rodziny ABC-transporterów uczestniczących w trójstronnych zespołach. Greene i wsp. w obszernym przeglądzie dokonali syntezy najnowszych osiągnięć w zakresie struktury i funkcji rodziny MacB ABC-transporterów, które tworzą unikalne trójdzielne asocjacje odgrywające rolę w odpływie makrolidów i eksporcie białek. Autorzy przedstawiają nowatorski model funkcjonalnej mechanotransmisji i omawiają powiązania z homologicznymi układami trójdzielnymi innych bakterii chorobotwórczych, które podobnie eksportują białkopodobne cząsteczki sygnalizacyjne, czynniki wirulencji i siderofory.

Genetyczna regulacja pomp efflux jest kluczowym mechanizmem oporności, a związane z nią regulatory transkrypcji stają się obiecującymi celami terapeutycznymi, jednak pozostaje to jednym z najmniej dobrze poznanych obszarów MDR. Wypełniając tę lukę, Issa i wsp. przedstawiają kompleksowy przegląd ostatnich postępów w biologii strukturalnej rodzin regulatorów u P. aeruginosa, w tym regulatorów systemu jednoskładnikowego z rodzin TetR, LysR, MarR, AraC oraz rodzin regulatorów systemu dwuskładnikowego (TCS). W powiązanej pracy Milton i wsp., łącząc modelowanie molekularne z badaniami biochemicznymi i komórkowymi, zaproponowali potencjalny mechanizm interakcji pomiędzy regulatorami odpowiedzi TCS a związkami 2-aminoimidazolowymi, które mogą hamować tworzenie biofilmu bakteryjnego, rozpraszać preformowane biofilmy i ponownie uwrażliwiać bakterie MDR na antybiotyki. Badanie to koncentruje się na dwóch ważnych patogenach, Acinetobacter baumannii i Francisella tularensis, i dostarcza obiecujących nowych spostrzeżeń na temat tej potencjalnej nowej drogi terapeutycznej.

Cell Wall Alterations

Złożona rola odgrywana przez strukturę otoczki komórki bakteryjnej, a szczególnie lipid A (endotoksyna) składnik warstwy zewnętrznej lipopolisacharydu (LPS), w modulowaniu wrażliwości bakterii na środki przeciwdrobnoustrojowe gospodarza, takie jak kationowe peptydy przeciwdrobnoustrojowe, jest przedmiotem dogłębnego przeglądu przez Kahler i wsp. Rola LPS w patogenezie bakterii i unikaniu immunologicznym jest ostatnio przedmiotem wzmożonej uwagi, a niniejsza praca stanowi aktualne podsumowanie wiedzy na temat skutków dekoracji fosfoetanoloaminą lipidu A w patogennych szczepach Neisseria i możliwości ukierunkowania odpowiedzialnego za to enzymu EptA do celów terapeutycznych.

Ribosome-Targeting Antibiotics and Resistance Mechanisms

Ribosomy są niezbędnymi kompleksami RNA-proteinowymi odpowiedzialnymi za syntezę białek we wszystkich komórkach. Jednakże, unikalne aspekty rybosomu bakteryjnego pozwalają na stosowanie specyficznych antybiotyków, które zakłócają każdy aspekt funkcjonowania rybosomu. Te chemicznie zróżnicowane leki są głównym składnikiem naszego arsenału klinicznego od wielu dziesięcioleci, a trzy artykuły tutaj skupiają się na ich działaniu i związanych z nimi mechanizmach oporności.

Polikanov i wsp. przedstawiają szczegółowy przegląd antybiotyków peptydowych skierowanych na rybosom, ze szczególnym naciskiem na interakcję każdego leku z małą (30S) lub dużą (50S) podjednostką rybosomu i mechanizm działania. Gromadzenie informacji na temat tych antybiotyków, w tym struktur rybosom-lek o wysokiej rozdzielczości, stwarza możliwości opracowania ulepszonych antybiotyków nowej generacji o zwiększonej aktywności i, poprzez modyfikację regionów zbędnych do inaktywacji rybosomu, poprawy innych właściwości, takich jak absorpcja/retencja lub zmniejszona toksyczność.

Markley i Wencewicz opisują znane mechanizmy oporności na tetracykliny, leki, które są w użyciu klinicznym od ponad 60 lat. Oporność na drodze odpływu, modyfikacji rybosomów i działania białek chroniących rybosomy jest dobrze poznana, ale ich efektom udało się skutecznie przeciwdziałać dzięki opracowaniu nowszych generacji tetracyklin, takich jak tigecyklina. Jednak również te leki są obecnie zagrożone przez pojawienie się enzymów inaktywujących tetracykliny, które są głównym przedmiotem niniejszego przeglądu. Podobnie Golkar i wsp. opisują struktury chemiczne, mechanizmy działania i oporność dla drugiej głównej klasy leków, makrolidów, które wiążą się w tunelu wyjściowym peptydu. Podobnie jak tetracykliny, makrolidy podlegają oporności na drodze odpływu, modyfikacji lub mutacji rybosomów oraz białek ochronnych. Dodatkowo, ich skuteczność jest również zagrożona przez modyfikujące makrolidy enzymy fosfotransferazy i esterazy, których struktury i działania są głównym przedmiotem tego obszernego przeglądu.

Sulfonamidy i β-laktamazy: Resistance and Frontiers in Drug Development

Leki sulfa (sulfonamidy) zostały po raz pierwszy wprowadzone w latach trzydziestych XX wieku i mają długą historię skuteczności w zwalczaniu chorób bakteryjnych. Leki te hamują bakteryjną syntazę dihydropteroinianową (DHPS) poprzez naśladowanie jednego z jej substratów, kwasu para-aminobenzoesowego (PABA). Mutacje w DHPS powodują oporność na sulfonamidy, ale ich mechanizm jest często nieznany. Griffith i wsp. identyfikują pięć mutacji DHPS związanych z opornością na sulfonamidy u Staphylococcus aureus i badają ich wpływ na podatność i kondycję szczepu oraz kinetykę enzymu. Trzy z tych mutacji przyczyniają się do oporności poprzez steryczne blokowanie zewnętrznej pierścieniowej cząsteczki sulfonamidów, podczas gdy pozostałe dwie zwiększają kondycję szczepu. Praca ujawnia krytyczną słabość sulfonamidów z implikacjami dla projektowania leków: mutacje opornościowe celują w tę część środka przeciwbakteryjnego, która jest najważniejsza dla jego skuteczności.

Dyskusja na temat oporności na środki przeciwbakteryjne nie byłaby kompletna bez wspomnienia o β-laktamazach, powszechnym mechanizmie oporności u bakterii, w tym patogenów ESKAPE. Enzymy te hydrolizują antybiotyki β-laktamowe, zanim dotrą one do swoich celów molekularnych, tzw. białek wiążących penicyliny. W swoim przeglądzie Palzkill wyjaśnia molekularne podstawy zróżnicowanej specyficzności trzech ważnych grup β-laktamaz klasy A (enzymów TEM, CTX-M i KPC) dla oksyamino-cefalosporyn. Podkreśla on mutacje, które zwiększają heterogenność konformacyjną w obrębie miejsc aktywnych tych enzymów w celu dostosowania się do cefalosporyn oraz istnienie globalnych mutacji supresorowych w innych miejscach białka w celu skompensowania utraty stabilności. Wreszcie, w swoim przeglądzie, van den Akker i Bonomo opisują szeroko zakrojone wysiłki wielu grup w celu opracowania inhibitorów β-laktamaz, w tym pięciu zatwierdzonych do użytku klinicznego. Podkreślają sukces strategii, które wykorzystują specyficzne aspekty mechanizmu enzymatycznego w projektowaniu tych krytycznych środków przeciwdrobnoustrojowych.

Wkład autorów

Wszyscy wymienieni autorzy wnieśli istotny, bezpośredni i intelektualny wkład w tę pracę oraz zatwierdzili ją do publikacji.

Funding

Badania w laboratoriach autorów są wspierane przez National Institutes of Health grantami R01-GM066861 (dla CD) i R01-AI088025 (dla GC), oraz BBSRC grant BB/N002776/1 i Wellcome Trust grant 108372/A/15/Z (dla VB).

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek komercyjnych lub finansowych relacji, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Pragniemy przekazać nasze uznanie wszystkim autorom, którzy uczestniczyli w tym temacie badawczym, jak również wielu recenzentom za ich wnikliwe komentarze.