プラスミドの分子機構

Nature Communications volume 14、記事番号: 4031 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

スルホンアミド (スルファ) は最も古いクラスの抗菌薬であり、その補基質である p-アミノ安息香酸 (pABA) の化学的模倣を通じて細菌のジヒドロプテロ酸シンターゼ (DHPS、folP によってコードされる) を阻害します。 サルファ剤に対する耐性は、folP の変異、またはサルファ非感受性の分岐型 DHPS 酵素をコードする sul 遺伝子の獲得によって媒介されます。 folP 変異による耐性の分子基盤はよく理解されていますが、sul ベースの耐性を媒介するメカニズムは詳細には研究されていません。 今回我々は、最も一般的なSul酵素タイプ（Sul1、Sul2、Sul3）の複数のリガンド結合状態における結晶構造を決定し、DHPSの対応する領域と比較して、それらのpABA相互作用領域が実質的に再構成されていることが明らかになった。 我々は、生化学的および生物物理学的アッセイ、突然変異分析、および大腸菌ΔfolPのトランス相補性を用いて、Phe-Gly配列により、Sul酵素がpABA結合を維持しながらスルファ類を識別できるようになり、スルホンアミドに対する広範な耐性に必要であることを示した。 大腸菌の実験的進化により、活性部位に Phe-Gly 挿入を有するサルファ剤耐性 DHPS 変異体を保有する株が誕生し、この分子機構が再現されました。 また、Sul 酵素は DHPS と比較して活性部位の立体構造ダイナミクスが増加しており、これが基質の識別に寄与する可能性があることも示します。 我々の結果は、Sul媒介薬剤耐性の分子基盤を明らかにし、耐性が生じにくい新しいサルファ剤の開発の可能性を促進します。

抗菌薬耐性（AMR）は、感染症の管理に対する脅威として増大しています。 最近の分析では、2019 年に 100 万人以上の死亡が抗菌薬耐性菌感染症によって直接引き起こされ、500 万人近くの死亡が抗菌薬耐性菌感染症に関連していると推定されました 1。 AMR は、本質的にコード化された、または獲得されたメカニズムが関与する複雑な現象です 2。 抗菌薬耐性付与遺伝子 (ARG) は、移動性遺伝要素 (MGE) と共局在することが多く、それによって多剤耐性が付与され、種間の交換が促進されます 3。 現在の新しい種類の抗菌薬の発見速度は、20 世紀半ばの抗菌薬発見の黄金時代に比べて遅れているため 4,5,6 、古い種類の薬剤の活性化を含む新しい抗菌治療の選択肢が緊急に必要とされています 7,8。 9、10。

スルホンアミド (スルファ) は、抗菌薬として使用された最初の合成化合物です。 グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方に対するこれらの化学物質の広範囲の静菌活性により、世界中で人間の医学と獣医学の両方で使用されるようになりました 11,12。 しかし、他のクラスの抗菌薬の場合と同様、耐性の上昇によりサルファスの臨床的有用性が損なわれています 13,14。 WHO によると、尿路感染症を引き起こす大腸菌株と肺炎桿菌株の 54% と 43% がコトリモキサゾールに対して高い耐性を持っています15。 カルバペネムなどの最前線の治療レジメン16に対する耐性の増加に伴い、サルファ剤を含む古典的な抗生物質が臨床現場での優先順位として再評価されています17,18。 この点において、サルファ剤耐性の分子基盤を詳細に理解することは、この薬剤クラスの有用性を拡大または活性化する取り組みにおいて不可欠です。

スルファスは、細菌界全体で保存されている酵素である folP 遺伝子によってコードされるジヒドロプテロ酸シンターゼ (DHPS) を標的とします。 DHPS は、細菌と原始真核生物にのみ存在する経路である葉酸の新規合成に関与しています。 DHPSは、パラアミノ安息香酸（pABA）と6-ヒドロキシメチル-7,8-ジヒドロプテリンピロリン酸（DHPP）の縮合を触媒し、7,8-ジヒドロプテロン酸（7,8-DHP）を生成します（図1a）。 この化合物はさらに変換され、最終的には DNA および RNA 合成に不可欠な前駆体であるテトラヒドロ葉酸につながります3。 スルファスは構造的に pABA に似ているため (図 1 および図 S1)、その作用様式はこの共基質と直接競合します。 DHPP とサルファの縮合により、行き止まりのプテリン - スルファ付加物が形成されます 19、20、21。