Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.

Polymorphic toxin systems: Comprehensive characterization of trafficking modes, processing, mechanisms of action, immunity and ecology using comparative genomics

Background: Proteinaceous toxins are observed across all levels of inter-organismal and intra-genomic conflicts. These include recently discovered prokaryotic polymorphic toxin systems implicated in intra-specific conflicts. They are characterized by a remarkable diversity of C-terminal toxin domains generated by recombination with standalone toxin-coding cassettes. Prior analysis revealed a striking diversity of nuclease and deaminase domains among the toxin modules. We systematically investigated polymorphic toxin systems using comparative genomics, sequence and structure analysis. Results: Polymorphic toxin systems are distributed across all major bacterial lineages and are delivered by at least eight distinct secretory systems. In addition to type-II, these include type-V, VI, VII (ESX), and the poorly characterized "Photorhabdus virulence cassettes (PVC)", PrsW-dependent and MuF phage-capsid-like systems. We present evidence that trafficking of these toxins is often accompanied by autoproteolytic processing catalyzed by HINT, ZU5, PrsW, caspase-like, papain-like, and a novel metallopeptidase associated with the PVC system. We identified over 150 distinct toxin domains in these systems. These span an extraordinary catalytic spectrum to include 23 distinct clades of peptidases, numerous previously unrecognized versions of nucleases and deaminases, ADP-ribosyltransferases, ADP ribosyl cyclases, RelA/SpoT-like nucleotidyltransferases, glycosyltranferases and other enzymes predicted to modify lipids and carbohydrates, and a pore-forming toxin domain. Several of these toxin domains are shared with host-directed effectors of pathogenic bacteria. Over 90 families of immunity proteins might neutralize anywhere between a single to at least 27 distinct types of toxin domains. In some organisms multiple tandem immunity genes or immunity protein domains are organized into polyimmunity loci or polyimmunity proteins. Gene-neighborhood-analysis of polymorphic toxin systems predicts the presence of novel trafficking-related components, and also the organizational logic that allows toxin diversification through recombination. Domain architecture and protein-length analysis revealed that these toxins might be deployed as secreted factors, through directed injection, or via inter-cellular contact facilitated by filamentous structures formed by RHS/YD, filamentous hemagglutinin and other repeats. Phyletic pattern and life-style analysis indicate that polymorphic toxins and polyimmunity loci participate in cooperative behavior and facultative 'cheating' in several ecosystems such as the human oral cavity and soil. Multiple domains from these systems have also been repeatedly transferred to eukaryotes and their viruses, such as the nucleo-cytoplasmic large DNA viruses. Conclusions: Along with a comprehensive inventory of toxins and immunity proteins, we present several testable predictions regarding active sites and catalytic mechanisms of toxins, their processing and trafficking and their role in intra-specific and inter-specific interactions between bacteria. These systems provide insights regarding the emergence of key systems at different points in eukaryotic evolution, such as ADP ribosylation, interaction of myosin VI with cargo proteins, mediation of apoptosis, hyphal heteroincompatibility, hedgehog signaling, arthropod toxins, cell-cell interaction molecules like teneurins and different signaling messengers.

Two novel antibiotic resistance genes, tet(44) and ant(6)-Ib, are located within a transferable pathogenicity island in Campylobacter fetus subsp. fetus

New tetracycline and streptomycin resistance genes, tet(44) and ant(6)-Ib, were identified in Campylobacter fetus subsp. fetus within a transferable pathogenicity island that is typically unique to Campylobacter fetus subsp. venerealis. The 640-amino-acid tetracycline resistance determinant, Tet 44, belongs to a class of proteins that confers resistance to tetracycline and minocycline by ribosomal protection. The 286-amino-acid streptomycin resistance determinant, ANT(6)-Ib, belongs to a family of aminoglycoside nucleotidyltransferases. The resistance phenotypes were demonstrated by gene inactivation and expression.

Def1 Promotes the Degradation of Pol3 for Polymerase Exchange to Occur During DNA-Damage–Induced Mutagenesis in Saccharomyces cerevisiae

Funding: Wellcome Trust, 070247/Z/03/A. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

Heteroduplex analysis of VDJ amplified segments from rearranged IgH genes for clonality assessments in B-cell non-Hodgkin's lymphoma. A comparison between different strategies.

BACKGROUND AND OBJECTIVE: The main difficulty of PCR-based clonality studies for B-cell lymphoproliferative disorders (B-LPD) is discrimination between monoclonal and polyclonal PCR products, especially when there is a high background of polyclonal B cells in the tumor sample. Actually, PCR-based methods for clonality assessment require additional analysis of the PCR products in order to discern between monoclonal and polyclonal samples. Heteroduplex analysis represents an attractive approach since it is easy to perform and avoids the use of radioactive substrates or expensive equipment. DESIGN AND METHODS: We studied the sensitivity and specificity of heteroduplex PCR analysis for monoclonal detection in samples from 90 B-cell non Hodgkin's lymphoma (B-NHL) patients and in 28 individuals without neoplastic B-cell disorders (negative controls). Furthermore, in 42 B-NHL and in the same 28 negative controls, we compared heteroduplex analysis vs the classical PCR technique. We also compared ethidium bromide (EtBr) vs. silver nitrate (AgNO(3)) staining as well as agarose vs. polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE). RESULTS: Using two pair consensus primers sited at VH (FR3 and FR2) and at JH, 91% of B-NHL samples displayed monoclonal products after heteroduplex PCR analysis using PAGE and AgNO(3) staining. Moreover, no polyclonal sample showed a monoclonal PCR product. By contrast, false positive results were obtained when using agarose (5/28) and PAGE without heteroduplex analysis: 2/28 and 8/28 with EtBr and AgNO(3) staining, respectively. In addition, false negative results only appeared with EtBr staining: 13/42 in agarose, 4/42 in PAGE without heteroduplex analysis and 7/42 in PAGE after heteroduplex analysis. INTERPRETATION AND CONCLUSIONS: We conclude that AgNO(3) stained PAGE after heteroduplex analysis is the most suitable strategy for detecting monoclonal rearrangements in B-NHL samples because it does not produce false-positive results and the risk of false-negative results is very low.