Frontiers in Molecular Biosciences

Antibiotikaresistenta bakterier är ansvariga för miljontals svårbehandlade infektioner varje år. Sedan antibiotiska ”mirakelmediciner” först introducerades i klinisk användning har resistens följt tätt efter. På senare tid har detta problem förvärrats kraftigt av deras omfattande användning inom medicin och jordbruk, i kombination med bakteriepopulationers anmärkningsvärda förmåga att snabbt utvecklas och utbyta genetiskt material. Den ökande multiresistensen (MDR), i kombination med minskad tillgång till nyligen godkända eller under utveckling befann sig behandlingar, hotar att i grunden förändra vår förmåga att behandla infektioner. Huruvida de mest pessimistiska förutsägelserna om en framtida ”postantibiotisk era” blir verklighet under de kommande decennierna kommer att bero på de åtgärder som vidtas i dag. Detta forskningstema samlar artiklar som belyser de senaste bidragen från strukturbiologin och relaterade metoder till vår förståelse av antibiotikaresistens och anpassningar som används av bakterier mot läkemedel som riktar sig mot viktiga cellstrukturer, komplex eller vägar, samt insatser för läkemedelsutveckling för att motverka dessa resistensmekanismer. Nya insikter från sådana tillvägagångssätt kommer sannolikt att vara avgörande i framtida ansträngningar för att utveckla strategier för att övervinna befintliga resistensmekanismer och för att identifiera mål för utveckling av nya antibiotika.

Effluxpumpar och transportörer

De tredelade sammansättningar som byggs upp kring RND-familjen (Resistance-Nodulation-Division) av proton-drivna sekundära transportörer spelar en framträdande MDR-roll i gramnegativa bakterier. Även om RND-assemblerna har varit i fokus för ett nyligen dedikerat Frontiers Research Topic (Vargiu et al., 2016) är deras strukturbiologi en av de snabbast framskridande riktningarna inom MDR-fältet och två viktiga experimentella studier rapporteras inom denna samling.

För det första använder Zwama et al. röntgenkristallografi för att dissekera den så kallade hissande slingans roll, som är belägen vid gränsen mellan transmembranhelix 8 och PC2-subdomänen, i den prototypiska medlemmen i RND-familjen AcrB. Denna studie visar hur övergången från slumpmässig spole till α-helix i denna slinga leder till öppning och stängning av läkemedelskanalens ingång. Det är av avgörande betydelse att detta arbete belyser ett av de sista kvarvarande problematiska områdena när det gäller den funktionella RND-pumpcykeln, nämligen energiöverföring och konformationskoppling mellan avlägsna regioner av RND-transportörerna.

En annan kvarstående fråga inom RND-fältet är den strukturella grunden för den uppenbara breda substratspecificitet som dessa pumpar tillhandahåller. Ramaswamy et al. tar upp detta med hjälp av molekyldynamiska simuleringar av de centralt viktiga RND-transporterna MexB och MexY från Pseudomonas aeruginosa. Denna studie karakteriserar de potentiella bindningsfickorna för dessa transportörer och deras substrat, vilket genom innovativ användning av elektrostatisk komplementaritetsanalys gör det möjligt för författarna att avslöja viktiga skillnader mellan dessa transportörer. Viktigt är att denna första jämförande studie av de viktigaste P. aeruginosa-transportörerna tyder på att den djupa bindningsfickan hos den snäva konformisten spelar en central roll för substratsselektiviteten.

Men medan RND-transportörernas roll i utflöde och tredelade sammansättningar har studerats ingående, var fram till helt nyligen mycket mindre känt om den strukturella organisationen hos ABC-transportörernas familjemedlemmar som deltar i tredelade sammansättningar. I en omfattande översikt av Greene et al. sammanfattas de senaste framstegen när det gäller struktur och funktion hos ABC-transportörerna i MacB-familjen, som bildar unika tredelade sammansättningar med en roll i makrolidutflöde och proteinexport. Författarna tillhandahåller en spännande ny modell för funktionell mekanotransmission och diskuterar kopplingarna till homologa trepartssystem från andra patogena bakterier, som på samma sätt exporterar proteinliknande signalmolekyler, virulensfaktorer och sideroforer.

Genetisk reglering av utflödespumpar är en viktig resistensmekanism, med deras associerade transkriptionsregulatorer som framstår som lovande terapeutiska mål, och ändå är detta fortfarande ett av de minst välförstådda områdena inom MDR. För att överbrygga denna klyfta ger Issa et al. en omfattande genomgång av de senaste framstegen inom strukturbiologin för regulatorfamiljer i P. aeruginosa, inklusive enkomponentsystemregulatorerna i TetR-, LysR-, MarR- och AraC-familjerna och tvåkomponentsystem (TCS)-regulatorfamiljerna. I ett relaterat arbete kombinerar Milton et al. molekylär modellering med biokemiska och cellulära studier för att föreslå en potentiell mekanism för interaktion mellan TCS-reaktionsregulatorer och 2-aminoimidazolföreningar som kan hämma bildandet av bakteriella biofilmer, sprida redan bildade biofilmer och göra MDR-bakterier åter känsliga för antibiotika. Denna studie fokuserar på två viktiga patogener, Acinetobacter baumannii och Francisella tularensis, och ger lovande nya insikter i denna potentiella nya terapeutiska väg.

Cellväggsförändringar

Den komplexa roll som spelas av den bakteriella cellomslagsstrukturen, och särskilt lipid A-komponenten (endotoxin) i det yttre membranskiktet av lipopolysackarid (LPS), när det gäller att modulera bakteriernas mottaglighet för värdens antimikrobiella medel, t.ex. katjoniska antimikrobiella peptider, är föremål för en djupgående genomgång av Kahler et al. LPS:s roll i bakteriell patogenes och immunologiskt undvikande har nyligen fått ökad uppmärksamhet, och detta arbete ger en aktuell sammanfattning av kunskapen om effekterna av fosfoetanolamindekoration av lipid A i patogena Neisseria-stammar och potentialen för att rikta in sig på det ansvariga EptA-enzymet i terapeutiskt syfte.

Ett annat sätt för bakterier att skydda sig mot externa agens är att förändra cellväggen av peptidoglykan (PG) och ett välkänt exempel är att ersätta D-Ala-delen i PG med D-laktat för att ge vankomycinresistens hos enterokocker. I sin översiktsartikel förklarar Yadav et al. hur olika kemiska modifieringar av PG bidrar till att försvara bakterier mot värdgenererade antimikrobiella medel, t.ex. lysozym och andra hydrolytiska enzymer, samt antibiotika. Sådan kunskap kan hjälpa till att vägleda nya terapeutiska tillvägagångssätt som försvagar bakteriens cellvägg och ökar känsligheten för befintliga antibiotika.

Ribosom-målinriktade antibiotika och resistensmekanismer

Ribosomer är de essentiella RNA-proteinkomplex som ansvarar för proteinsyntesen i alla celler. Unika aspekter av den bakteriella ribosomen möjliggör dock specifika antibiotika som stör varje aspekt av ribosomens funktion. Dessa kemiskt olika läkemedel har varit en viktig del av vår kliniska arsenal i många decennier och tre artiklar här fokuserar på deras verkan och tillhörande resistensmekanismer.

Polikanov et al. ger en detaljerad genomgång av ribosom-målande peptidantibiotika, med särskild tonvikt på varje läkemedels interaktion med antingen den lilla (30S) eller den stora (50S) ribosom-underenheten och dess verkningsmekanism. Den ackumulerade informationen om dessa antibiotika, inklusive ribosom-läkemedelsstrukturer med hög upplösning, ger möjligheter att utveckla förbättrade, nästa generations antibiotika med ökad aktivitet och, genom modifiering av regioner som är obehövliga för ribosominaktivering, förbättringar av andra egenskaper, t.ex. upptag/retention eller minskad toxicitet.

Markley och Wencewicz beskriver de kända mekanismerna för resistens mot tetracykliner, läkemedel som har varit i klinisk användning i över 60 år. Resistens via efflux, ribosommodifiering och verkan av ribosomskyddsproteiner är väletablerade, men deras effekter har framgångsrikt motverkats genom utformningen av nyare generationer av tetracykliner, t.ex. tigecyklin. Dessa läkemedel hotas dock nu också av uppkomsten av tetracyklininaktiverande enzymer, som är huvudfokus i denna översikt. På samma sätt beskriver Golkar et al. de kemiska strukturerna, verkningsmekanismerna och resistensen för en andra stor klass av läkemedel, makroliderna, som binder i peptidutgångstunneln. I likhet med tetracykliner är makrolider utsatta för resistens via efflux, ribosommodifiering eller mutation och skyddsproteiner. Dessutom hotas deras effektivitet också av makrolidmodifierande fosfotransferas- och esterasenzymer, vars strukturer och aktiviteter är huvudfokus i denna omfattande översikt.

Sulfonamider och β-laktamaser: Resistance and Frontiers in Drug Development

Sulfa-läkemedel (sulfonamider) introducerades för första gången på 1930-talet och har en lång historia av effektivitet mot bakteriella sjukdomar. Dessa läkemedel hämmar bakteriellt dihydropteroatsyntas (DHPS) genom att efterlikna ett av dess substrat, para-aminobensoesyra (PABA). Mutationer i DHPS orsakar resistens mot sulfonamider, men deras mekanism är ofta okänd. Griffith et al. identifierar fem mutationer i DHPS som är förknippade med sulfonamidresistens hos Staphylococcus aureus och undersöker deras inverkan på stammens mottaglighet och fitness samt enzymkinetik. Tre av mutationerna bidrar till resistens genom att steriskt blockera den yttre ringdelen av sulfonamider, medan de två andra mutationerna ökar stammens kondition. Arbetet avslöjar en kritisk svaghet hos sulfonamider med konsekvenser för läkemedelsdesign: resistensmutationer riktar sig mot den del av det antimikrobiella medlet som är viktigast för dess effektivitet.

Diskussionen om antimikrobiell resistens skulle inte vara fullständig utan att nämna β-laktamaserna, en vanlig resistensmekanism hos bakterier, inklusive ESKAPE-patogenerna. Dessa enzymer hydrolyserar β-laktamantibiotika innan de når sina molekylära mål, de så kallade penicillinbindande proteinerna. I sin översikt förklarar Palzkill den molekylära grunden för de olika specificiteterna hos tre viktiga grupper av β-laktamaser av klass A (TEM-, CTX-M- och KPC-enzymerna) för oxyaminocefalosporiner. Han belyser mutationer som ökar den konformationella heterogeniteten inom de aktiva platserna hos dessa enzymer för att tillgodose cefalosporiner och förekomsten av globala suppressormutationer på andra ställen i proteinet för att kompensera för förlusten av stabilitet. Slutligen beskriver van den Akker och Bonomo i sin översikt omfattande insatser från ett antal grupper för att utveckla β-laktamashämmare, inklusive fem som godkänts för klinisk användning. De betonar framgången för strategier som utnyttjar specifika aspekter av enzymmekanismen vid utformningen av dessa kritiska antimikrobiella medel.

Författarbidrag

Alla angivna författare har gjort ett väsentligt, direkt och intellektuellt bidrag till arbetet och godkänt det för publicering.

Finansiering

Relaterad forskning i författarnas laboratorier stöds av National Institutes of Health-bidrag R01-GM066861 (till CD) och R01-AI088025 (till GC) samt BBSRC-bidrag BB/N002776/1 och Wellcome Trust-bidrag 108372/A/15/Z (till VB).

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller ekonomiska relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Vi vill framföra vår uppskattning till alla författare som deltagit i detta forskningstema, liksom till de många granskarna för deras insiktsfulla kommentarer.