Молекулярный механизм плазмиды

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4031 (2023) Цитировать эту статью

1362 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Сульфонамиды (сульфа) являются старейшим классом антибактериальных препаратов и ингибируют бактериальную дигидроптероатсинтазу (DHPS, кодируемую folP) посредством химической имитации ее ко-субстрата п-аминобензойной кислоты (pABA). Устойчивость к сульфаниламидным препаратам опосредована либо мутациями folP, либо приобретением генов sul, которые кодируют нечувствительные к сульфанилам дивергентные ферменты DHPS. Хотя молекулярная основа устойчивости посредством мутаций foP хорошо изучена, механизмы, опосредующие устойчивость на основе sul, подробно не исследованы. Здесь мы определяем кристаллические структуры наиболее распространенных типов ферментов Sul (Sul1, Sul2 и Sul3) в множественных лиганд-связанных состояниях, обнаруживая существенную реорганизацию их области взаимодействия с pABA относительно соответствующей области DHPS. Мы используем биохимические и биофизические анализы, мутационный анализ и транс-комплементацию ΔfolP E. coli, чтобы показать, что последовательность Phe-Gly позволяет ферментам Sul дискриминировать сульфазы, сохраняя при этом связывание pABA, и необходима для широкой устойчивости к сульфонамидам. Экспериментальная эволюция E. coli привела к появлению штамма, несущего сульфа-резистентный вариант DHPS, который несет вставку Phe-Gly в своем активном центре, повторяя этот молекулярный механизм. Мы также показываем, что ферменты Sul обладают повышенной конформационной динамикой активного центра по сравнению с DHPS, что может способствовать распознаванию субстратов. Наши результаты раскрывают молекулярную основу лекарственной устойчивости, опосредованной Sul, и способствуют потенциальной разработке новых сульфаниламидов, менее склонных к устойчивости.

Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) представляет собой растущую угрозу для лечения инфекционных заболеваний. По оценкам недавнего анализа, в 2019 году более 1 миллиона смертей были непосредственно вызваны бактериальными инфекциями, устойчивыми к противомикробным препаратам, и почти 5 миллионов смертей были связаны с бактериальными инфекциями, устойчивыми к противомикробным препаратам1. УПП представляет собой сложное явление, в котором задействованы внутренне закодированные или приобретенные механизмы2. Гены, обеспечивающие устойчивость к противомикробным препаратам (ARG), часто локализуются совместно с мобильными генетическими элементами (MGE), тем самым обеспечивая множественную лекарственную устойчивость и облегчая обмен между видами3. Поскольку нынешние темпы открытия новых классов противомикробных препаратов отстают от золотой эры открытия противомикробных препаратов в середине двадцатого века4,5,6, срочно необходимы новые варианты противомикробного лечения, включая возрождение старых классов лекарств7,8, 9,10.

Сульфонамиды (сульфа) были первыми синтетическими соединениями, используемыми в качестве антибактериальных препаратов. Бактериостатическая активность этих химических веществ широкого спектра против грамположительных и грамотрицательных бактерий привела к их использованию как в медицине, так и в ветеринарии во всем мире11,12. Однако, как и в случае с другими классами противомикробных препаратов, рост резистентности поставил под угрозу клиническую ценность сульфасом13,14. По данным ВОЗ, 54% и 43% штаммов Escherichia coli и Klebsiella pneumoniae, вызывающих ИМП, обладают высокой устойчивостью к ко-тримоксазолу15. С ростом резистентности к схемам лечения первой линии, таким как карбапенемы16, классические антибиотики, включая сульфаниламиды, переоцениваются на предмет их приоритета в клинической практике17,18. В этом отношении детальное понимание молекулярной основы резистентности к сульфанилам имеет важное значение в усилиях по расширению или возрождению полезности этого класса лекарств.

Сульфас нацелен на дигидроптероатсинтазу (DHPS), кодируемую геном folP, ферментом, консервативным во всем бактериальном царстве. DHPS участвует в синтезе фолатов de novo - пути, присутствующем только у бактерий и примитивных эукариот. DHPS катализирует конденсацию парааминобензойной кислоты (pABA) и 6-гидроксиметил-7,8-дигидроптеринпирофосфата (DHPP) с образованием 7,8-дигидроптериновой кислоты (7,8-DHP) (рис. 1а); это соединение далее трансформируется, что в конечном итоге приводит к тетрагидрофолату, важному предшественнику синтеза ДНК и РНК3. Сульфы структурно напоминают pABA (рис. 1 и рис. S1), и, таким образом, их способ действия заключается в прямой конкуренции с этим ко-субстратом; конденсация DHPP и сульфа приводит к образованию тупиковых аддуктов птерин-сульфа19,20,21.