British researchers have analyzed the cell wall structure of methicillin-resistant Staphylococcus aureus and concluded that resistance genes allow it to divide in an alternative way with a different wall architecture in the presence of antibiotics. A report on the work was published in the journal Science, where an editorial was also devoted to it.
Following the widespread use of beta-lactam penicillin in the 1940s and 1950s, Staphylococcus aureus began to rapidly develop resistant strains due to the production of beta-lactamases. To combat them, methicillin, a penicillin derivative that is not destroyed by this enzyme, was introduced in 1959. However, in the following decade, infections caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) were registered, and today it is one of the most dangerous antibiotic-resistant bacteria, claiming more than 100,000 lives a year.
Beta-lactam antibiotics act by blocking penicillin-binding proteins (PBPs), enzymes responsible for assembling bacterial cell wall peptides. Staphylococcus aureus has four of these, but only PBP1 and PBP2 are critical for cell wall construction. MRSA has an atypical variant of PBP2a with low affinity for most beta-lactams, which is derived from other Staphylococcus species, encoded by the mecA gene, and horizontally transferred by SCCmec gene cassettes of different types. It can perform the transpeptidase functions of PBP2, but not PBP1. This adaptation provides protection against low concentrations of methicillin, but about one in 10,000 MRSA cells has extremely high resistance due to additional mutations in potentiating genes (pot), including those encoding RNA polymerase subunits (rpo*), and these cells are subject to positive selection in the presence of the antibiotic.
Simon Foster at the University of Sheffield and colleagues used high-resolution atomic force microscopy (AFM) to study the cell wall structure of an antibiotic-sensitive strain of Staphylococcus aureus (MSSA) and of the same strain equipped with the mecA gene (that is, which became MRSA). In the absence of antibiotics, the peptidoglycans of both bacteria had a coarse mesh structure with large pores on the outer surface of the bacteria, but formed a much denser network on the inner surface, where they are synthesized. When a new wall was formed, which serves as a partition between daughter cells during division, its outer peptidoglycans folded into characteristic concentric circles.
Под действием 1,5 микрограмма метициллина на миллилитр среды, что немного меньше минимальной подавляющей концентрации (МПК) для обычного MRSA, в стенке MSSA появлялись крупные отверстия и клетка погибала. У mecA+ MRSA в этих условиях в перегородке между клетками наружные пептидогликаны не формировали концентрическую структуру, а представляли собой плотную однородную сеть, при этом толщина стенки снижалась. Такая же утрата концентрических окружностей с формированием плотной сети наблюдалась у высокоустойчивого штамма MRSA, несущего мутацию rpoB* помимо гена mecA, при концентрации антибиотика 25 микрограмм на миллилитр (смертельной для MSSA и mecA+ MRSA), однако у него стенка утолщалась с образованием дополнительной выпуклости посередине. Аналогичные паттерны формирования стенки в присутствии антибиотика демонстрировали различные клинически значимые высокоустойчивые штаммы MRSA с разными типами SCCmec.
Выяснив это, авторы работы, экспериментируя с различными штаммами золотистого стафилококка, провели систематическое исследование молекулярных механизмов обычного (в отсутствие антибиотиков) и альтернативного (в их присутствии у устойчивых штаммов) способов деления клеток. Они выяснили, что за рост концентрических структур пептидогликанов в процессе деления отвечает только чувствительный к метициллину PBP1. Мутация rpoB может компенсировать траспептидазную активность этого белка, и именно она отвечает за формирование плотной сети пептидогликанов. В комбинации с замещением активности PBP2 устойчивым PBP2a это исключает необходимость в чувствительных PBP1 и PBP2, обеспечивая альтернативный способ деления и высокую резистентность к метициллину. Аналогично мутантному rpoB может действовать pot мутация гена rel, который отвечает за стрессовую реакцию бактерий на дефицит нутриентов, и обе этих мутации повышают концентрацию в клетке алармона гуанозинтетрафосфата.
В завершение авторы работы показали, что некоторые соединения могут вернуть MRSA чувствительность к метициллину в культуре при определенных мутациях: кломифен и спермин — при mecA+ pbp2* и mecA+ pbp2* rpoB*, но не pbp1* rpoB*; норгестимат — pbp1* rpoB* и mecA+ pbp2*, но не mecA+ pbp2* rpoB*, эпикатехина галлат — при всех трех. Имеет ли это клиническое значение, а также используют ли другие бактерии альтернативный синтез клеточной стенки при делении в присутствии антибиотиков, предстоит выяснить в дальнейших исследованиях.
Ранее было показано, что кожа людей может противостоять проникновению MRSA за счет выработки интерлейкина-8, из-за чего он может быть комменсалом в кожной микробиоте, а гаплонедостаточность гена OTULIN, напротив, предрасполагает к тяжелым стафилококковым инфекциям. При этом бета-лактамный цефалоспорин пятого поколения цефтобипрол пока сохраняет активность в отношении MRSA.