The role of the efflux mechanisms in multidrug resistance in Mycobacterium tuberculosis

Abstract The emergence of multi and extensively drug resistant tuberculosis (MDRTB and XDRTB) has increased the concern of public health authorities around the world. The World Health Organization has defined MDRTB as tuberculosis (TB) caused by organisms resistant to at least isoniazid and rifampicin, the main first-line drugs used in TB therapy, whereas XDRTB refers to TB resistant not only to isoniazid and rifampicin, but also to a fluoroquinolone and to at least one of the three injectable second-line drugs, kanamycin, amikacin and capreomycin. Resistance in Mycobacterium tuberculosis is mainly due to the occurrence of spontaneous mutations and followed by selection of mutants by subsequent treatment. However, some resistant clinical isolates do not present mutations in any genes associated with resistance to a given antibiotic, which suggests that other mechanism(s) are involved in the development of drug resistance, namely the presence of efflux pump systems that extrude the drug to the exterior of the cell, preventing access to its target. Increased efflux activity can occur in response to prolonged exposure to subinhibitory concentrations of anti-TB drugs, a situation that may result from inadequate TB therapy. The inhibition of efflux activity with a non-antibiotic inhibitor may restore activity of an antibiotic subject to efflux and thus provide a way to enhance the activity of current anti-TB drugs. The work described in this thesis foccus on the study of efflux mechanisms in the development of multidrug resistance in M. tuberculosis and how phenotypic resistance, mediated by efflux pumps, correlates with genetic resistance. In order to accomplish this goal, several experimental protocols were developed using biological models such as Escherichia coli, the fast growing mycobacteria Mycobacterium smegmatis, and Mycobacterium avium, before their application to M. tuberculosis. This approach allowed the study of the mechanisms that result in the physiological adaptation of E. coli to subinhibitory concentrations of tetracycline (Chapter II), the development of a fluorometric method that allows the detection and quantification of efflux of ethidium bromide (Chapter III), the characterization of the ethidium bromide transport in M. smegmatis (Chapter IV) and the contribution of efflux activity to macrolide resistance in Mycobacterium avium complex (Chapter V). Finally, the methods developed allowed the study of the role of efflux pumps in M. tuberculosis strains induced to isoniazid resistance (Chapter VI). By this manner, in Chapter II it was possible to observe that the physiological adaptation of E. coli to tetracycline results from an interplay between events at the genetic level and protein folding that decrease permeability of the cell envelope and increase efflux pump activity. Furthermore, Chapter III describes the development of a semi-automated fluorometric method that allowed the correlation of this efflux activity with the transport kinetics of ethidium bromide (a known efflux pump substrate) in E. coli and the identification of efflux inhibitors. Concerning M. smegmatis, we have compared the wild-type M. smegmatis mc2155 with knockout mutants for LfrA and MspA for their ability to transport ethidium bromide. The results presented in Chapter IV showed that MspA, the major porin in M. smegmatis, plays an important role in the entrance of ethidium bromide and antibiotics into the cell and that efflux via the LfrA pump is involved in low-level resistance to these compounds in M. smegmatis. Chapter V describes the study of the contribution of efflux pumps to macrolide resistance in clinical M. avium complex isolates. It was demonstrated that resistance to clarithromycin was significantly reduced in the presence of efflux inhibitors such as thioridazine, chlorpromazine and verapamil. These same inhibitors decreased efflux of ethidium bromide and increased the retention of [14C]-erythromycin in these isolates. Finaly, the methods developed with the experimental models mentioned above allowed the study of the role of efflux pumps on M. tuberculosis strains induced to isoniazid resistance. This is described in Chapter VI of this Thesis, where it is demonstrated that induced resistance to isoniazid does not involve mutations in any of the genes known to be associated with isoniazid resistance, but an efflux system that is sensitive to efflux inhibitors. These inhibitors decreased the efflux of ethidium bromide and also reduced the minimum inhibitory concentration of isoniazid in these strains. Moreover, expression analysis showed overexpression of genes that code for efflux pumps in the induced strains relatively to the non-induced parental strains. In conclusion, the work described in this thesis demonstrates that efflux pumps play an important role in the development of drug resistance, namely in mycobacteria. A strategy to overcome efflux-mediated resistance may consist on the use of compounds that inhibit efflux activity, restoring the activity of antimicrobials that are efflux pump substrates, a useful approach particularly in TB where the most effective treatment regimens are becoming uneffective due to the increase of MDRTB/XDRTB.

Estrogen receptor dependent genetic and epigenetic factors of tamoxifen resistance

Resumo: A decisão da terapêutica hormonal no tratamento do cancro da mama baseiase na determinação do receptor de estrogénio alfa por imunohistoquímica (IHC). Contudo, a presença deste receptor não prediz a resposta em todas as situações, em parte devido a limitações do método IHC. Investigámos se a expressão dos genes ESR1 e ESR2, bem como a metilação dos respectivos promotores, pode estar relacionada com a evolução desfavorável de uma proporção de doentes tratados com tamoxifeno assim como com a perda dos receptores de estrogénio alfa (ERα) e beta (ERß). Amostras de 211 doentes com cancro da mama diagnosticado entre 1988 e 2004, fixadas em formalina e preservadas em parafina, foram utilizadas para a determinação por IHC da presença dos receptores ERα e ERß. O mRNA total do gene ESR1 e os níveis específicos do transcrito derivado do promotor C (ESR1_C), bem como dos transcritos ESR2_ß1, ESR2_ß2/cx, and ESR2_ß5 foram avaliados por Real-time PCR. Os promotores A e C do gene ESR1 e os promotores 0K e 0N do gene ESR2 foram investigados por análise de metilação dos dinucleotidos CpG usando bisulfite-PCR para análise com enzimas de restrição, ou para methylation specific PCR. Atendendo aos resultados promissores relacionados com a metilação do promotor do gene ESR1, complementamos o estudo com um método quantitativo por matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) suportado pelo software Epityper para a medição da metilação nos promotores A e C. Fez-se a avaliação da estabilidade do mRNA nas linhas celulares de cancro da mama MCF-7 e MDA-MB-231 tratadas com actinomicina D. Baixos níveis do transcrito ESR1_C associaram-se a uma melhor sobrevivência global (p = 0.017). Níveis elevados do transcrito ESR1_C associaram-se a uma resposta inferior ao tamoxifeno (HR = 2.48; CI 95% 1.24-4.99), um efeito mais pronunciado em doentes com tumores de fenótipo ERα/PgR duplamente positivo (HR = 3.41; CI 95% 1.45-8.04). A isoforma ESR1_C mostrou ter uma semi-vida prolongada, bem como uma estrutura secundária da região 5’UTR muito mais relaxada em comparação com a isoforma ESR1_A. A análise por Western-blot mostrou que ao nível da 21 proteína, a selectividade de promotores é indistinguivel. Não se detectou qualquer correlação entre os níveis das isoformas do gene ESR2 ou entre a metilação dos promotores do gene ESR2, e a detecção da proteína ERß. A metilação do promotor C do gene ESR1, e não do promotor A, foi responsável pela perda do receptor ERα. Estes resultados sugerem que os níveis do transcrito ESR1_C sejam usados como um novo potencial marcador para o prognóstico e predição de resposta ao tratamento com tamoxifeno em doentes com cancro da mama. Abstract: The decision of endocrine breast cancer treatment relies on ERα IHC-based assessment. However, ER positivity does not predict response in all cases in part due to IHC methodological limitations. We investigated whether ESR1 and ESR2 gene expression and respective promoter methylation may be related to non-favorable outcome of a proportion of tamoxifen treated patients as well as to ERα and ERß loss. Formalin-fixed paraffin-embedded breast cancer samples from 211 patients diagnosed between 1988 and 2004 were submitted to IHC-based ERα and ERß protein determination. ESR1 whole mRNA and promoter C specific transcript levels, as well as ESR2_ß1, ESR2_ß2/cx, and ESR2_ß5 transcripts were assessed by real-time PCR. ESR1 promoters A and C, and ESR2 promoters 0N and 0K were investigated by CpG methylation analysis using bisulfite-PCR for restriction analysis, or methylation specific PCR. Due to the promising results related to ESR1 promoter methylation, we have used a quantification method by matrixassisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDITOF MS) together with Epityper software to measure methylation at promoters A and C. mRNA stability was assessed in actinomycin D treated MCF-7 and MDA-MB-231 cells. ERα protein was quantified using transiently transfected breast cancer cells. Low ESR1_C transcript levels were associated with better overall survival (p = 0.017). High levels of ESR1_C transcript were associated with non-favorable response in tamoxifen treated patients (HR = 2.48; CI 95% 1.24-4.99), an effect that was more pronounced in patients with ERα/PgR double-positive tumors (HR = 3.41; CI 95% 1.45-8.04). The ESR1_C isoform had a prolonged mRNA half-life and a more relaxed 5’UTR structure compared to ESR1_A isoform. Western-blot analysis showed that at protein level, the promoter selectivity is undistinguishable. There was no correlation between levels of ESR2 isoforms or ESR2 promoter methylation and ERß protein staining. ESR1 promoter C CpG methylation and not promoter A was responsible for ERα loss. We propose ESR1_C levels as a putative novel marker for breast cancer prognosis and prediction of tamoxifen response.

Studies on the genetics of artemisinin resistance in malaria

A existência de estirpes de Plasmodium falciparum resistentes a multiplos fármacos é um dos problemas mais graves no controlo da malária. Novos fármacos, como a artemisinina (ART) e seus derivados são cada vez mais utilizados no tratamento da malaria e muito embora até ao momento não haja registos de fármaco-resistência estável à ART o seu surgimento seria desastroso devido á falta de alternativas. A investigação apresentada nesta tese descreve a selecção de resistência estável à ART e ao artesunato (ATN) utilizando um modelo roedor de malária, o parasita Plasmodium chabaudi chabaudi (Plasmodium chabaudi). Dois clones de Plasmodium chabaudi diferentes, AS-15CQ e AS-30CQ, foram inoculados em murganhos que por sua vez foram tratados na presença de concentrações sucessivamente crescentes de ATN e ART, sendo que no final do processo de seleção de resistência, os parasitas obtidos apresentavam uma resistência de 6 e 15 vezes superior ao ATN e à ART, respectivamente, em relação aos parasitas iniciais. Os clones obtidos foram nomeados respectivamente AS-ATN (obtido a partir de AS-15CQ por seleção com pressão de ATN) e AS-ART (obtido a partir de AS-30CQ por seleção com pressão de ART). A resistência obtida durante o processo de seleção é estável após clonagem, congelamento/descongelamento, passagem sanguínea na ausência de pressão de fármaco e transmissão natural através do mosquito vector. A sequência nucleotídica e o número de cópias dos genes previamente descritos na literatura como moduladores putativos de resistência à ART e seus derivados: mdr1, cg10, tctp e atp6; foi comparada entre parasitas resistentes e sensíveis, não tendo sido encontradas nenhumas alterações, quer na sequência quer no número de cópias destes genes. Posteriormente, numa tentativa de identificar os genes envolvidos na resistância à ART e ao ATN a técnica de Linkage Group Selection (LGS) foi utilizada. Para tal dois cruzamentos genéticos foram realizados. Estes cruzamentos foram realizados entre os clones fármaco-resistentes; AS-ART e AS-ATN e um clone geneticamente distinto dos anteriores e sensível aos fármacos em estudos, AJ. Após realização do LGS quatro loci genéticos; nos cromossomas de P. chabaudi 1, 2, 6 e 8 foram encontrados associados à resistência. Atendendo a que, a selecção no cromossoma 2 era a mais forte, este locus foi submetido a subsequentes análises genéticas, tendo sido encontradas duas mutações diferentes (V739F e V770F) num gene que codifica para um enzima de desubiquitinação (gene ubp-1).

Flow resistance in open-channel flows with mobile hydraulically rough beds

River Flow 2008, Vol.1

Studies on the genetics of artemisinin resistance in malaria

A existência de estirpes de Plasmodium falciparum resistentes a multiplos fármacos é um dos problemas mais graves no controlo da malária. Novos fármacos, como a artemisinina (ART) e seus derivados são cada vez mais utilizados no tratamento da malaria e muito embora até ao momento não haja registos de fármaco-resistência estável à ART o seu surgimento seria desastroso devido á falta de alternativas. A investigação apresentada nesta tese descreve a selecção de resistência estável à ART e ao artesunato (ATN) utilizando um modelo roedor de malária, o parasita Plasmodium chabaudi chabaudi (Plasmodium chabaudi). Dois clones de Plasmodium chabaudi diferentes, AS-15CQ e AS-30CQ, foram inoculados em murganhos que por sua vez foram tratados na presença de concentrações sucessivamente crescentes de ATN e ART, sendo que no final do processo de seleção de resistência, os parasitas obtidos apresentavam uma resistência de 6 e 15 vezes superior ao ATN e à ART, respectivamente, em relação aos parasitas iniciais. Os clones obtidos foram nomeados respectivamente AS-ATN (obtido a partir de AS-15CQ por seleção com pressão de ATN) e AS-ART (obtido a partir de AS-30CQ por seleção com pressão de ART). A resistência obtida durante o processo de seleção é estável após clonagem, congelamento/descongelamento, passagem sanguínea na ausência de pressão de fármaco e transmissão natural através do mosquito vector. A sequência nucleotídica e o número de cópias dos genes previamente descritos na literatura como moduladores putativos de resistência à ART e seus derivados: mdr1, cg10, tctp e atp6; foi comparada entre parasitas resistentes e sensíveis, não tendo sido encontradas nenhumas alterações, quer na sequência quer no número de cópias destes genes. Posteriormente, numa tentativa de identificar os genes envolvidos na resistância à ART e ao ATN a técnica de Linkage Group Selection (LGS) foi utilizada. Para tal dois cruzamentos genéticos foram realizados. Estes cruzamentos foram realizados entre os clones fármaco-resistentes; AS-ART e AS-ATN e um clone geneticamente distinto dos anteriores e sensível aos fármacos em estudos, AJ. Após realização do LGS quatro loci genéticos; nos cromossomas de P. chabaudi 1, 2, 6 e 8 foram encontrados associados à resistência. Atendendo a que, a selecção no cromossoma 2 era a mais forte, este locus foi submetido a subsequentes análises genéticas, tendo sido encontradas duas mutações diferentes (V739F e V770F) num gene que codifica para um enzima de desubiquitinação (gene ubp-1).

Transformation of Medicago truncatula with the arginine decarboxylase gene to modify polyamine metabolism toward water deficit resistance

Dissertation submitted to obtain a Ph.D. (Doutoramento) degree in Biology at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica da Universidade Nova de Lisboa

Studies on resistance and response to vancomycin in Enterococcus faecalis: a last resort antibiotic

Dissertation presented to obtain a Ph.D. degree in Biochemistry by Instituto de Tecnologia Química e Biológica Universidade Nova de Lisboa.

Positive Epistasis Drives the Acquisition of Multidrug Resistance

The evolution of multiple antibiotic resistance is an increasing global problem. Resistance mutations are known to impair fitness, and the evolution of resistance to multiple drugs depends both on their costs individually and on how they interact-epistasis. Information on the level of epistasis between antibiotic resistance mutations is of key importance to understanding epistasis amongst deleterious alleles, a key theoretical question, and to improving public health measures. Here we show that in an antibiotic-free environment the cost of multiple resistance is smaller than expected, a signature of pervasive positive epistasis among alleles that confer resistance to antibiotics. Competition assays reveal that the cost of resistance to a given antibiotic is dependent on the presence of resistance alleles for other antibiotics. Surprisingly we find that a significant fraction of resistant mutations can be beneficial in certain resistant genetic backgrounds, that some double resistances entail no measurable cost, and that some allelic combinations are hotspots for rapid compensation. These results provide additional insight as to why multi-resistant bacteria are so prevalent and reveal an extra layer of complexity on epistatic patterns previously unrecognized, since it is hidden in genome-wide studies of genetic interactions using gene knockouts.

Heavy-metal resistance in Marinobacter aquaeolei 617 insights into copper resistance

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia

Enterococcus and biocides: mechanisms of tolerance and selection for vancomycin resistance

Dissertation presented to obtain a Doctoral degree in Biology, Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa.

Epidemiological characterization, antimicrobial resistance and virulence mechanisms of human and animal streptococci

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Biologia

The inhibitory activity of synthetic compounds and ions against transporters of multi-drug resistant bacteria

RESUMO: Sessenta e três derivados de hidantoína foram utilizados para avaliar possíveis efeitos de modulação na actividade das bombas de efluxo (BE) na Salmonella NCTC 13349 utilizando um método fluorimétrico semi-automático. Nenhum dos compostos apresentaram actividade anti-bacteriana até concentrações de 240 mg/L. Entre todos os compostos, SZ-7 demonstrou possuir propriedades de modulação de effluxo na presença de glucose. Para testar esta actividade, estirpes de Salmonella resistentes à ciprofloxacina, induzidas a elevados níveis de resistência com sobre-expressão de BE, foram expostas ao SZ-7. Este derivado afectou a susceptibilidade das estirpes à ciprofloxacina. Uma vez que os 63 compostos estudados apresentaram pouco efeito inibitório /cumulativo, apesar de serem conhecidos pelos seus efeitos moduladores de BE-dependentes de iões em eucariotas, foi questionado o papel dos iões na regulação de BE bacterianas, que poderão influenciar a eficácia de novos compostos. Para este estudo, utilizamos a Escherichia coli AG100 como modelo, devido ao extenso conhecimento no que respeita a estrutura e actividade das BE. Devido à importância de iões de cálcio (Ca2+) nos canais de transporte membranar e na actividade de ATPases, a sua actividade na modulação do efluxo foi investigada. De resultados anteriormente obtidos concluiu-se que a pH 5 o efluxo é independente de energia metabólica; contudo, a pH 8 é absolutamente dependente, sendo que o Ca2+ é indispensável para manter a actividade das ATPases bacterianas. A acumulação/effluxo de EtBr pela E. coli AG100 foi determinada na presença/ausência de Ca2+, clorpromazina (inibidor de ligação de Ca2+ a proteínas), e ácido etilenodiamino tetra-acético (quelante de Ca2+). Acumulação/effluxo aumentou a pH 8, contudo o Ca2+ reverte estes efeitos evidenciando a sua importância no funcionamento das BE bacterianas. Em resumo este trabalho colocou em evidência que muitos aspectos bioquímicos e bioenergéticos devem ser tomados em consideração no estudo da resistência bacteriana mediada por BE.------- ABSTRACT: Sixty-three hydantoin derivatives were evaluated for their modulating effects on efflux pump (EP) activity of Salmonella NCTC 13349 utilizing a semi-automatic fluorometric method. None of the compounds presented antibacterial activities at concentrations as high as 240 mg/L. Among all compounds, SZ-7 showed possible efflux modulating activity in the presence of glucose, indicative of a potential EP inhibitor. To verify its potential effects, ciprofloxacin-resistant Salmonella strains, induced to high level resistance with over-expressing EPs, were exposed to SZ-7. This derivative affected the susceptibility of the ciprofloxacin-resistant strains. Since the 63 compounds studied had very low inhibitory/accumulative effects, even though their known for being efficient in modulating ion-driven eukaryotic EPs, we questioned whether ions had a leading role in regulating bacterial EPs, influencing the effectiveness of new compounds. For this study we used Escherichia coli AG100 as a model, due to the extensive knowledge on its EPs structure and activity. Owing the importance of calcium ions (Ca2+) for membrane transport channels and activity of ATPases, the role of Ca2+ was investigated. From previous results we concluded that at pH 5 efflux is independent of metabolic energy; however, at pH 8 it is entirely dependent of metabolic energy and the Ca2+ ions are essential to maintain the activity of bacterial ATPases. Accumulation and efflux of ethidium bromide (EtBr) by E. coli AG100 was determined in the presence and absence of Ca2+, chlorpromazine (inhibitor of Ca2+-binding to proteins), and ethylenediaminetetraacetic acid (Ca2+ chelator). Accumulation of EtBr increased at pH 8; however Ca2+ reversed these effects providing information as to the importance of this ion in the regulation of bacterial EP systems. Overall this work puts in evidence that many biochemical and bioenergetic aspects related to the strains physiology need to be taken into consideration in bacterial drug resistance mediated by EPs.

On the track of β-lactam resistance: Studies on the regulation of methicillinresistance in Staphylococcus aureus

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Biologia

The role of Di-iron proteins in pathogen resistance

Dissertation presented to obtain the Ph.D. degree in Biochemistry

Gold nanoprobes for the detection of mutations associated with antibiotic resistance in Mycobacterium tuberculosis complex

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina