淋菌多剤排出ポンプの低温電子顕微鏡構造が薬物認識と抵抗性のメカニズムを明らかにする

Cryo-EM Structures of a Gonococcal Multidrug Efflux Pump Illuminate a Mechanism of Drug Recognition and Resistance.

• Meinan Lyu
• Mitchell A Moseng
• Jennifer L Reimche
• Concerta L Holley
• Vijaya Dhulipala
• Chih-Chia Su
• William M Shafer
• Edward W Yu

抄録

淋菌はヒトの義務的病原体であり、性感染症（STI）淋病の原因菌でもあります。この多剤排出ポンプは、臨床的に重要な多剤排出システムであり、臨床的に使用される抗生物質（β-ラクタムやマクロライドなど）、染料、洗剤、宿主由来の抗菌薬（カチオン性抗菌ペプチドや胆汁塩など）など、構造的に多様なクラスの抗菌薬に対する耐性を仲介しています。最近、遺伝子内にモザイク状の配列を持つ淋菌がアミノ酸の変化を起こし、MtrD多剤排出ポンプの活性を高めることが明らかになってきたが、これはおそらく抗菌薬の認識や押し出しに影響を与え、抗生物質耐性のレベルを上昇させるものと考えられる。本研究では、単一粒子低温電子顕微鏡を用いて、モザイク状の配列を持つMtrD多剤排出ポンプの薬剤結合溶液構造を解析し、抗生物質がポンプ周囲ドメインの奥深くに結合していることを報告する。このような構造的アプローチと遺伝学的研究を組み合わせることで、薬剤耐性に重要なアミノ酸を同定し、プロトン移動のメカニズムを提案しています。多剤排出は、複数のクラスの抗生物質の作用を打ち消すための主要なメカニズムである。淋菌の多剤排出ポンプの中で最も優勢で臨床的に重要なトランスポーターをコードする遺伝子内にモザイク状の配列を持つ淋菌は、薬剤耐性を著しく高め、輸送機能を強化すると考えられている。本研究では、モザイク状の配列を持つMtrDの低温電子顕微鏡(EM)構造を明らかにし、薬物認識のメカニズムを解明することに成功した。この成果は、最終的には、これらの重要な多剤排出ポンプを阻害するための構造誘導型の薬物設計に役立つものと考えられる。

is an obligate human pathogen and causative agent of the sexually transmitted infection (STI) gonorrhea. The most predominant and clinically important multidrug efflux system in is the ultiple ransferrable esistance (Mtr) pump, which mediates resistance to a number of different classes of structurally diverse antimicrobial agents, including clinically used antibiotics (e.g., β-lactams and macrolides), dyes, detergents and host-derived antimicrobials (e.g., cationic antimicrobial peptides and bile salts). Recently, it has been found that gonococci bearing mosaic-like sequences within the gene can result in amino acid changes that increase the MtrD multidrug efflux pump activity, probably by influencing antimicrobial recognition and/or extrusion to elevate the level of antibiotic resistance. Here, we report drug-bound solution structures of the MtrD multidrug efflux pump carrying a mosaic-like sequence using single-particle cryo-electron microscopy, with the antibiotics bound deeply inside the periplasmic domain of the pump. Through this structural approach coupled with genetic studies, we identify critical amino acids that are important for drug resistance and propose a mechanism for proton translocation. has become a highly antimicrobial-resistant Gram-negative pathogen. Multidrug efflux is a major mechanism that uses to counteract the action of multiple classes of antibiotics. It appears that gonococci bearing mosaic-like sequences within the gene , encoding the most predominant and clinically important transporter of any gonococcal multidrug efflux pump, significantly elevate drug resistance and enhance transport function. Here, we report cryo-electron microscopy (EM) structures of MtrD carrying a mosaic-like sequence that allow us to understand the mechanism of drug recognition. Our work will ultimately inform structure-guided drug design for inhibiting these critical multidrug efflux pumps.

Copyright © 2020 Lyu et al.