Mécanisme moléculaire du plasmide

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4031 (2023) Citer cet article

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Les sulfamides (sulfas) constituent la classe la plus ancienne de médicaments antibactériens et inhibent la dihydroptéroate synthase bactérienne (DHPS, codée par folP), par mimétisme chimique de son co-substrat, l'acide p-aminobenzoïque (pABA). La résistance aux sulfamides est médiée soit par des mutations du folP, soit par l'acquisition de gènes sul, qui codent pour des enzymes DHPS divergentes et insensibles aux sulfamides. Bien que les bases moléculaires de la résistance due aux mutations folP soient bien comprises, les mécanismes à l’origine de la résistance basée sur le sul n’ont pas été étudiés en détail. Ici, nous déterminons les structures cristallines des types d’enzymes Sul les plus courants (Sul1, Sul2 et Sul3) dans plusieurs états liés au ligand, révélant une réorganisation substantielle de leur région d’interaction pABA par rapport à la région correspondante du DHPS. Nous utilisons des tests biochimiques et biophysiques, une analyse mutationnelle et une complémentation trans de E. coli ΔfolP pour montrer qu'une séquence Phe-Gly permet aux enzymes Sul de discriminer les sulfamides tout en conservant la liaison au pABA et est nécessaire pour une large résistance aux sulfamides. L'évolution expérimentale d'E. coli aboutit à une souche hébergeant un variant DHPS résistant aux sulfamides qui porte une insertion Phe-Gly dans son site actif, récapitulant ce mécanisme moléculaire. Nous montrons également que les enzymes Sul possèdent une dynamique conformationnelle de site actif accrue par rapport au DHPS, ce qui pourrait contribuer à la discrimination des substrats. Nos résultats révèlent le fondement moléculaire de la résistance aux médicaments médiée par Sul et facilitent le développement potentiel de nouveaux sulfamides moins sujets à la résistance.

La résistance aux antimicrobiens (RAM) constitue une menace croissante pour la gestion des maladies infectieuses. Une analyse récente a estimé que plus d’un million de décès étaient directement causés par des infections bactériennes résistantes aux antimicrobiens et près de 5 millions de décès étaient associés à des infections bactériennes résistantes aux antimicrobiens en 20191. La RAM est un phénomène complexe impliquant des mécanismes intrinsèquement codés ou acquis2. Les gènes conférant une résistance aux antimicrobiens (ARG) se localisent souvent dans des éléments génétiques mobiles (MGE), conférant ainsi une multirésistance aux médicaments et facilitant les échanges entre espèces3. Alors que le rythme actuel de découverte de nouvelles classes de médicaments antimicrobiens est à la traîne depuis l’âge d’or de la découverte de médicaments antimicrobiens au milieu du XXe siècle4,5,6, de nouvelles options de traitement antimicrobien, notamment la revitalisation d’anciennes classes de médicaments, sont nécessaires de toute urgence7,8, 9,10.

Les sulfamides (sulfas) ont été les premiers composés synthétiques utilisés comme médicaments antibactériens. L’activité bactériostatique à large spectre de ces produits chimiques contre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives a conduit à leur utilisation en médecine humaine et vétérinaire dans le monde entier11,12. Cependant, comme c'est le cas pour d'autres classes d'antimicrobiens, la montée de la résistance a compromis l'utilité clinique des sulfamides13,14. Selon l'OMS, 54 % et 43 % des souches d'Escherichia coli et de Klebsiella pneumoniae responsables des infections urinaires sont hautement résistantes au cotrimoxazole15. Avec l’augmentation de la résistance aux schémas thérapeutiques de première ligne tels que les carbapénèmes16, les antibiotiques classiques, notamment les sulfamides, sont réévalués en fonction de leur priorité dans la pratique clinique17,18. À cet égard, une compréhension détaillée des bases moléculaires de la résistance aux sulfamides est essentielle dans les efforts visant à étendre ou à revitaliser l’utilité de cette classe de médicaments.

Les sulfas ciblent la dihydroptéroate synthase (DHPS), codée par le gène folP, une enzyme conservée dans tout le règne bactérien. La DHPS est impliquée dans la synthèse de novo des folates, une voie présente uniquement chez les bactéries et les eucaryotes primitifs. Le DHPS catalyse la condensation de l'acide para-aminobenzoïque (pABA) et du pyrophosphate de 6-hydroxyméthyl-7,8-dihydroptérine (DHPP), produisant de l'acide 7,8-dihydroptéroique (7,8-DHP) (Fig. 1a); ce composé est ensuite transformé, conduisant finalement au tétrahydrofolate, un précurseur essentiel pour la synthèse de l'ADN et de l'ARN3. Les sulfas ressemblent structurellement au pABA (Fig. 1 et Fig. S1) et leur mode d'action consiste donc à entrer en concurrence directe avec ce co-substrat ; la condensation de la DHPP et des sulfamides conduit à la formation d'un adduit ptérine-sulfate sans issue19,20,21.