Амплификация гена эффлюксной помпы обходит необходимость множественных целевых мутаций для устойчивости к двойным

Nature Communications, том 14, номер статьи: 3402 (2023) Цитировать эту статью

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Антибиотики, которые имеют несколько клеточных мишеней, теоретически снижают частоту развития резистентности, но адаптивные траектории и механизмы устойчивости к таким антибиотикам недостаточно изучены. Здесь мы исследуем их у метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA), используя экспериментальную эволюцию при воздействии делафлоксацина (DLX), нового фторхинолона, который нацелен как на ДНК-гиразу, так и на топоизомеразу IV. Мы показываем, что селекция на мутации кодирующей последовательности и геномные амплификации гена, кодирующего плохо охарактеризованный эффлюксный насос SdrM, приводит к высокой устойчивости к DLX, обходя необходимость мутаций в обоих целевых ферментах. В эволюционировавших популяциях сверхэкспрессия sdrM из-за геномных амплификаций, содержащих sdrM и два соседних гена, кодирующих эффлюксные насосы, приводит к высокой устойчивости к DLX, в то время как соседние автостопные эффлюксные насосы способствуют перекрестной резистентности к стрептомицину. Кроме того, отсутствие sdrM требует мутаций в обоих целевых ферментах для развития устойчивости к DLX, и, таким образом, sdrM увеличивает частоту развития устойчивости. Наконец, мутации и амплификации sdrM аналогичным образом выбираются в двух различных клинических изолятах, что указывает на общность этого механизма устойчивости к DLX. Наше исследование подчеркивает, что вместо снижения уровня резистентности эволюция резистентности к многоцелевым антибиотикам может включать альтернативные высокочастотные эволюционные пути, которые могут вызвать неожиданные изменения в ландшафте приспособленности, включая перекрестную резистентность к антибиотикам.

Появление устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) представляет собой серьезную угрозу глобальному здравоохранению. В недавнем отчете указано, что в 2019 году во всем мире от УПП могло погибнуть более одного миллиона человек1. Метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) вызывает широкий спектр инфекций, связанных со здравоохранением и обществом, с высокими показателями заболеваемости и смертности, и может достичь устойчивости к большинству доступных антибиотиков2,3,4,5,6,7. Детерминанты резистентности у бактерий обычно приобретаются либо посредством горизонтального переноса генов, либо мутаций de novo, а механизмы включают деградацию или секвестрацию антибиотиков, модификацию целевых компонентов и перепроизводство эффлюксных насосов8,9,10,11. Кроме того, повсеместные и нестабильные геномные дупликации и амплификации могут привести к усилению экспрессии модифицирующих ферментов и откачивающих насосов, которые затем придают устойчивость к антибиотикам и могут быть выбраны при воздействии антибиотиков12,13,14.

Одна из стратегий, предложенная для снижения роста устойчивости к антибиотикам, заключается в разработке антибиотиков более чем с одной мишенью, тем самым снижая частоту развития устойчивости15,16. Недавние исследования выявили два таких антибиотика двойного действия, которые воздействуют на целостность мембран, а также на дополнительный клеточный путь и до сих пор позволяют избежать возникновения резистентности в лаборатории17,18,19. Бактериальные топоизомеразы, ДНК-гираза и топоизомераза IV также были предложены в качестве потенциальных мишеней для антибиотиков двойного действия, и было показано, что воздействие на оба фермента может ингибировать эволюцию резистентности и потенциально включать новые детерминанты резистентности15,16,20,21 . Однако механизмы эволюции резистентности к таким многоцелевым антибиотикам и лежащие в их основе адаптивные траектории не охарактеризованы.

Фторхинолоны представляют собой широко используемый класс антибиотиков, и большинство традиционных фторхинолонов, таких как ципрофлоксацин и левофлоксацин, преимущественно воздействуют либо на ДНК-гиразу, либо на топоизомеразу IV22. Делафлоксацин (DLX) представляет собой фторхинолоновый антибиотик 4-го поколения, который воздействует как на ферменты ДНК-гиразу, так и на топоизомеразу IV с одинаковой эффективностью23,24,25. Из-за такой двойной направленности считалось, что устойчивость к DLX может быть нечастой24,26,27, но недавно устойчивость к DLX наблюдалась у клинических изолятов S. aureus28,29.