アデニリルトランスフェラーゼANT（2インチ）によるアミノグリコシド抗生物質に対する耐性の構造的および分子的基礎-IA

アミノグリコシドは、非常に効果的な広域スペクトル抗菌剤です。しかし、酵素を介した共有結合修飾により、それらの有効性は低下し、標的リボソームの薬物の親和性を低下させます。グラム陰性病原体で最も一般的なアミノグリコシド抵抗性酵素の1つは、ゲンタマイシン、トブラマイシン、カナマイシンに対する耐性を付与するアデニリルトランスフェラーゼANT（2インチ）-IAです。薬剤耐性におけるこの酵素の重要性にもかかわらず、その構造と分子メカニズムはとらえどころのないものでした。この研究では、ANT（2インチ）-IA酵素によるアミノグリコシドのアデニリル化の構造的および機構的基礎について説明します。ANT（2インチ）-IAは、2-デオキシスストラプタミンコアを含むアミノグリコシド基質の2インチヒドロキシルへのヌクレオシド単リン酸（AMP）のマグネシウム依存性移動による耐性を浸透させます。触媒反応は、ATPから基質抗生物質への直接AMP移動メカニズムに従います。触媒の中心は、2つのmg（2+）イオンの調整、修飾可能な基質環の位置、および触媒塩基の存在です（ASP86）。比較構造分析により、ANT（2インチ）-IAには、LNU（A）、LinB、ANT（4 '）を含む他の抗生物質ヌクレオチジルトランスフェラーゼの中で保存されているN末端アクティブサイトアーキテクチャを備えた2ドメイン構造があることが明らかになりました。、ANT（4インチ）-IB、およびANT（6）-IA。また、ANT（2インチ） - IAとDNAポリメラーゼβのヌクレオチジルトランスフェラーゼの折り畳みにも類似性があります。この類似性は、共通の祖先からの進化と一致しており、ヌクレオチジルトランスフェラーゼ折りは化学的に異なる分子に対する活性に適応しています。重要性：多剤耐性感染症に関連する脅威をうまく管理するには、革新的な治療戦略を開発する必要があります。そのようなアプローチの1つは、細菌の耐性株に対する既存の抗生物質の強化または増強を含んでいます。アミノグリコシドの臨床的有用性の低下は、これらの生物によって引き起こされる感染症の治療選択肢がほとんどないため、グラム陰性のヒト病原体の間で特定の問題です。アミノグリコシド修飾酵素の活性を首尾よく回避または阻害し、したがってグラム陰性病原体に対するアミノグリコシド抗生物質の活性を若返らせるために、構造的および機械的情報が重要です。この研究は、臨床的に普及しているアミノグリコシド耐性酵素[ANT（2″）-IA]の構造を明らかにし、抗生物質基質の根底にある分子基底を示しています。組み合わせて、これらの発見は、抗生物質ヌクレオチジルトランスフェラーゼに対する広域スペクトル阻害剤の開発の基礎を提供します。

The aminoglycosides are highly effective broad-spectrum antimicrobial agents. However, their efficacy is diminished due to enzyme-mediated covalent modification, which reduces affinity of the drug for the target ribosome. One of the most prevalent aminoglycoside resistance enzymes in Gram-negative pathogens is the adenylyltransferase ANT(2″)-Ia, which confers resistance to gentamicin, tobramycin, and kanamycin. Despite the importance of this enzyme in drug resistance, its structure and molecular mechanism have been elusive. This study describes the structural and mechanistic basis for adenylylation of aminoglycosides by the ANT(2″)-Ia enzyme. ANT(2″)-Ia confers resistance by magnesium-dependent transfer of a nucleoside monophosphate (AMP) to the 2″-hydroxyl of aminoglycoside substrates containing a 2-deoxystreptamine core. The catalyzed reaction follows a direct AMP transfer mechanism from ATP to the substrate antibiotic. Central to catalysis is the coordination of two Mg(2+) ions, positioning of the modifiable substrate ring, and the presence of a catalytic base (Asp86). Comparative structural analysis revealed that ANT(2″)-Ia has a two-domain structure with an N-terminal active-site architecture that is conserved among other antibiotic nucleotidyltransferases, including Lnu(A), LinB, ANT(4')-Ia, ANT(4″)-Ib, and ANT(6)-Ia. There is also similarity between the nucleotidyltransferase fold of ANT(2″)-Ia and DNA polymerase β. This similarity is consistent with evolution from a common ancestor, with the nucleotidyltransferase fold having adapted for activity against chemically distinct molecules. IMPORTANCE  : To successfully manage the threat associated with multidrug-resistant infectious diseases, innovative therapeutic strategies need to be developed. One such approach involves the enhancement or potentiation of existing antibiotics against resistant strains of bacteria. The reduction in clinical usefulness of the aminoglycosides is a particular problem among Gram-negative human pathogens, since there are very few therapeutic options for infections caused by these organisms. In order to successfully circumvent or inhibit the activity of aminoglycoside-modifying enzymes, and to thus rejuvenate the activity of the aminoglycoside antibiotics against Gram-negative pathogens, structural and mechanistic information is crucial. This study reveals the structure of a clinically prevalent aminoglycoside resistance enzyme [ANT(2″)-Ia] and depicts the molecular basis underlying modification of antibiotic substrates. Combined, these findings provide the groundwork for the development of broad-spectrum inhibitors against antibiotic nucleotidyltransferases.