유출 펌프 유전자 증폭은 이중 저항성에 대한 다중 표적 돌연변이의 필요성을 우회합니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3402(2023) 이 기사 인용

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다중 세포 표적을 갖는 항생제는 이론적으로 저항성 진화의 빈도를 감소시키지만, 그러한 항생제에 대한 적응 궤적 및 저항성 메커니즘은 충분히 연구되지 않았습니다. 여기에서 우리는 DNA 자이라제와 토포이소머라제 IV를 모두 표적으로 하는 새로운 플루오로퀴놀론인 델라플록사신(DLX)에 노출 시 실험적 진화를 사용하여 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)에서 이를 조사합니다. 우리는 잘 특성화되지 않은 유출 펌프인 SdrM을 코딩하는 유전자의 코딩 서열 돌연변이 및 게놈 증폭에 대한 선택이 두 표적 효소의 돌연변이에 대한 요구 사항을 우회하여 높은 DLX 저항성을 초래한다는 것을 보여줍니다. 진화된 집단에서, sdrM 및 유출 펌프를 코딩하는 두 개의 인접한 유전자를 포함하는 게놈 증폭으로 인한 sdrM 과발현은 높은 DLX 저항성을 초래하는 반면, 인접한 히치하이킹 유출 펌프는 스트렙토마이신 교차 저항에 기여합니다. 또한, sdrM이 부족하면 DLX 저항성을 진화시키기 위해 두 표적 효소의 돌연변이가 필요하며, 따라서 sdrM은 저항성 진화 빈도를 증가시킵니다. 마지막으로, sdrM 돌연변이 및 증폭은 두 가지 다양한 임상 분리주에서 유사하게 선택되었으며, 이는 이 DLX 저항성 메커니즘의 일반성을 나타냅니다. 우리의 연구는 저항률 감소 대신 다중 표적화 항생제에 대한 저항성 진화가 대체 고주파 진화 경로를 포함할 수 있으며, 이는 항생제 교차 저항성을 포함하여 체력 환경의 예상치 못한 변화를 일으킬 수 있음을 강조합니다.

항생제 내성(AMR)의 출현은 세계 보건에 큰 위협이 되고 있습니다. 최근 보고서에 따르면 2019년에 AMR로 인해 전 세계적으로 100만 명이 넘는 사망자가 발생한 것으로 나타났습니다1. 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)은 광범위한 의료 및 지역사회 관련 감염을 일으키며 발생률과 사망률이 높습니다. 이용 가능한 대부분의 항생제에 대해 저항성을 얻을 수 있습니다2,3,4,5,6,7. 박테리아의 저항성 결정인자는 일반적으로 수평적 유전자 전달 또는 새로운 돌연변이를 통해 획득되며 메커니즘에는 항생제 분해 또는 격리, 표적 구성 요소의 변형 및 유출 펌프의 과잉 생산이 포함됩니다8,9,10,11. 또한, 편재하고 불안정한 게놈 복제 및 증폭은 변형 효소 및 유출 펌프의 발현 증가로 이어질 수 있으며, 이는 항생제 저항성을 부여하고 항생제 노출 시 선택될 수 있습니다12,13,14.

항생제 내성 증가를 줄이기 위해 제안된 한 가지 전략은 하나 이상의 표적을 가진 항생제를 개발하여 내성 진화 빈도를 줄이는 것입니다15,16. 최근 연구에서는 추가 세포 경로뿐만 아니라 막 완전성을 표적으로 삼고 지금까지 실험실에서 저항성의 출현을 피하는 두 가지 이중 표적화 항생제를 확인했습니다17,18,19. 박테리아성 토포이소머라제, DNA 자이라제 및 토포이소머라제 IV도 이중 표적화 항생제의 잠재적 표적으로 제안되었으며, 두 효소를 모두 표적으로 삼는 것이 저항성 진화를 억제할 수 있고 잠재적으로 새로운 저항성 결정인자를 포함할 수 있는 것으로 나타났습니다15,16,20,21 . 그러나 이러한 다중 표적화 항생제에 대한 내성 진화 메커니즘과 기본 적응 궤적은 특성화되지 않았습니다.

플루오로퀴놀론은 널리 사용되는 항생제 계열이며 시프로플록사신 및 레보플록사신과 같은 가장 전통적인 플루오로퀴놀론은 DNA 자이라제 또는 토포이소머라제 IV22를 우선적으로 표적으로 삼습니다. 델라플록사신(DLX)은 4세대 플루오로퀴놀론 항생제로, 비슷한 효능으로 DNA 자이라제와 토포이소머라제 IV 효소를 모두 표적으로 삼습니다23,24,25. 이러한 이중 표적화로 인해 DLX에 대한 저항성은 드물다고 생각되었지만24,26,27 최근 S. aureus의 임상 분리주에서 DLX 저항성이 관찰되었습니다28,29.