Le amplificazioni del gene della pompa di efflusso aggirano la necessità di mutazioni target multiple per la resistenza contro il doppio

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3402 (2023) Citare questo articolo

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Gli antibiotici che hanno più bersagli cellulari riducono teoricamente la frequenza dell’evoluzione della resistenza, ma le traiettorie adattative e i meccanismi di resistenza contro tali antibiotici sono poco studiati. Qui indaghiamo questi nello Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) utilizzando l'evoluzione sperimentale dopo esposizione a delafloxacina (DLX), un nuovo fluorochinolone che prende di mira sia la DNA girasi che la topoisomerasi IV. Mostriamo che la selezione per le mutazioni della sequenza codificante e le amplificazioni genomiche del gene che codifica per una pompa di efflusso scarsamente caratterizzata, SdrM, porta ad un'elevata resistenza DLX, eludendo il requisito di mutazioni in entrambi gli enzimi bersaglio. Nelle popolazioni evolute, la sovraespressione di sdrM dovuta ad amplificazioni genomiche contenenti sdrM e due geni adiacenti che codificano per pompe di efflusso si traducono in un'elevata resistenza DLX, mentre le pompe di efflusso autostop adiacenti contribuiscono alla resistenza crociata alla streptomicina. Inoltre, la mancanza di sdrM richiede mutazioni in entrambi gli enzimi bersaglio per sviluppare la resistenza DLX e sdrM aumenta quindi la frequenza dell'evoluzione della resistenza. Infine, mutazioni e amplificazioni sdrM sono selezionate in modo simile in due diversi isolati clinici, indicando la generalità di questo meccanismo di resistenza DLX. Il nostro studio evidenzia che invece di tassi ridotti di resistenza, l’evoluzione della resistenza agli antibiotici multi-target può comportare percorsi evolutivi alternativi ad alta frequenza, che possono causare alterazioni inaspettate del panorama del fitness, inclusa la resistenza crociata agli antibiotici.

L’emergere della resistenza antimicrobica (AMR) rappresenta una grave minaccia per la salute globale. Un recente rapporto ha indicato che potrebbero esserci stati più di un milione di decessi in tutto il mondo a causa della resistenza antimicrobica nel 20191. Lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) provoca un’ampia gamma di infezioni associate all’assistenza sanitaria e alla comunità, con elevati tassi di incidenza e mortalità, e possono raggiungere resistenza alla maggior parte degli antibiotici disponibili2,3,4,5,6,7. I determinanti della resistenza nei batteri vengono generalmente acquisiti tramite trasferimento genico orizzontale o mutazioni de novo e i meccanismi includono la degradazione o il sequestro degli antibiotici, la modifica dei componenti bersaglio e la sovrapproduzione di pompe di efflusso8,9,10,11. Inoltre, duplicazioni e amplificazioni genomiche onnipresenti e instabili possono portare a una maggiore espressione di enzimi modificanti e pompe di efflusso che conferiscono quindi resistenza agli antibiotici e possono essere selezionati in seguito all'esposizione agli antibiotici12,13,14.

Una strategia proposta per ridurre l'aumento della resistenza agli antibiotici consiste nello sviluppare antibiotici con più di un bersaglio, riducendo così la frequenza dell'evoluzione della resistenza15,16. Studi recenti hanno identificato due antibiotici a doppio bersaglio che colpiscono l'integrità della membrana e un ulteriore percorso cellulare e finora hanno evitato l'emergere di resistenza in laboratorio17,18,19. Anche le topoisomerasi batteriche, la DNA girasi e la topoisomerasi IV, sono state proposte come potenziali bersagli per antibiotici a doppio bersaglio ed è stato dimostrato che colpire entrambi gli enzimi può inibire l'evoluzione della resistenza e potenzialmente coinvolgere nuovi determinanti della resistenza15,16,20,21 . Tuttavia, i meccanismi di evoluzione della resistenza a tali antibiotici multi-target e le traiettorie adattative sottostanti non sono stati caratterizzati.

I fluorochinoloni sono una classe di antibiotici ampiamente utilizzata e la maggior parte dei fluorochinoloni tradizionali, come ciprofloxacina e levofloxacina, colpiscono preferenzialmente la DNA girasi o la topoisomerasi IV22. La delafloxacina (DLX) è un antibiotico fluorochinolonico di quarta generazione, che prende di mira sia gli enzimi DNA girasi che topoisomerasi IV con potenza simile23,24,25. A causa di questo doppio targeting, si pensava che la resistenza contro DLX potesse essere poco frequente24,26,27, ma recentemente è stata osservata resistenza a DLX in isolati clinici di S. aureus28,29.