Sensores bacterianos

Resumen

La investigación que se lleva a cabo en nuestro laboratorio aborda la caracterización de proteínas de membrana bacterianas que detectan directa o indirectamente la presencia de antibióticos y activan la expresión de genes de resistencia. Por un lado estamos estudiando a las proteínas sensoras de los sistemas de resistencia a antibióticos β-lactámicos de Staphylococcus aureus. La otra línea de trabajo se enfoca a la caracterización del mecanismo mediante el cual las proteínas sensoras de los sistemas vraSRT y vanSR de S. aureus reconocen antibióticos β-lactámicos y glicopéptidos y transmiten la señal al citoplasma. En cuanto a la caracterización de las proteínas sensoras de los sistemas de resistencia a antibióticos β-lactámicos estamos abocados a dilucidar la topología de las regiones transmembrana de MecR1 y BlaR1 y en la construcción de un modelo de la proteína completa que permita comprender como la presencia del antibiótico β-lactámico es transmitida al dominio citoplasmático para activarlo. En cuanto al estudio de las proteínas sensoras de los sistemas vraSRT y vanSR, empleamos un enfoque multidisciplinario que involucra el uso de fotosondas de afinidad para tratar de identificar interacciones directas transientes con los antibióticos.

Líneas de Investigación

Mecanismo de transducción de señal de las proteínas BlaR1 y MecR1 de los sistemas de resistencia a B-lactámicos de Staphylococcus aureus

Staphylococcus aureus es la principal causa de infecciones intra- y extra-hospitalarias en el mundo. Estudios epidemiológicos recientes demuestran la emergencia de clones con alta virulencia asociados a infecciones invasivas tanto en la comunidad como en el hospital en la región central de la Argentina. Existe gran preocupación por la creciente prevalencia de infecciones causadas por cepas de S. aureus resistentes a la acción de los antibióticos β-lactámicos (MRSA, S. aureus meticilino-resistente). MRSA expresa una PBP (penicillin-binding protein) accesoria (PBP2a), de baja afinidad por la mayoría de los antibióticos β-lactámicos, que es responsable del fracaso terapéutico de esta familia de drogas. El rápido desarrollo de resistencia a los antibióticos β-lactámicos representa un gran desafío para la prevención y el tratamiento de infecciones por S. aureus. Este desafío se ve incrementado dado el reducido número de compuestos antibacterianos en etapas finales de evaluación para el uso clínico, y dada la significativa reducción en la inversión de las industrias farmacéuticas en el desarrollo de nuevos compuestos antibacterianos. Un gran desafío en la búsqueda de nuevos compuestos antibacterianos es la capacidad de estos organismos de adquirir mecanismos de resistencia a los compuestos antibacterianos. Es por esto que es crítico poder identificar nuevos blancos para el diseño de compuestos que puedan emplearse en el tratamiento clínico de infecciones debidas a bacterias resistentes y que presenten mecanismos de acción diferentes a los empleados por los antibióticos actualmente disponibles. Una estrategia alternativa es la búsqueda de compuestos que inhiban proteínas involucradas en los mecanismos de resistencia, los cuales podrían luego ser empleados en combinación con los antibióticos actualmente disponibles. En S. aureus, la expresión de PBP2a está regulada por las proteínas de membrana sensoras/transductoras MecR1 y BlaR1. Se desconoce los detalles moleculares de la activación de MecR1 y BlaR1. El rol de las proteínas BlaR1 y MecR1 en la inducción de la resistencia a β-lactámicos las convierte en excelentes blancos para el diseño de compuestos inhibidores que permitan restablecer la eficacia de los antibióticos β-lactámicos para el tratamiento de infecciones causadas por MRSA. Pretendemos aplicar la experiencia de nuestro grupo en el estudio de los eventos moleculares que dan lugar a la manifestación de la resistencia a β-lactámicos en MRSA para identificar los determinantes estructurales que dan lugar a la transducción de señal en las proteínas MecR1 y BlaR1, empleando un enfoque multidisciplinario. El proyecto plantea además construir cepas reporteras de estos sistemas que puedan ser empleadas para investigación básica y para la identificación de compuestos inhibidores de estas proteínas.

Detalles moleculares del reconocimiento de antibióticos β-lactámicos y glicopéptidos por las proteínas sensoras de los sistemas vraSRT y vanSR de S. aureus

El glicopéptido vancomicina es el antibiótico disponible para el tratamiento de infecciones por MRSA. El panorama no es sin embargo alentador, dado que algunas cepas de S. aureus también han desarrollado mecanismos de resistencia a vancomicina. Los sistemas de dos componentes VraSRT y VanSR presentes en S. aureus rápidamente detectan el estrés debido a la acción de antibióticos activos contra la pared celular y transmiten la señal al citoplasma celular. Estos sistemas coordinan la respuesta a antibióticos que inhiben la biosíntesis del peptidoglicano y están asociados a la resistencia a vancomicina. Hasta el momento se desconoce los eventos moleculares que dan lugar a la detección de los antibióticos por las proteínas sensoras VraS/VraT y VanS. Nuestro objetivo es dilucidar los eventos moleculares que dan lugar a la inducción de los sistemas de resistencia a antibióticos β-lactámicos y glicopéptidos en S. aureus; en particular determinar las características estructurales y el mecanismo de activación de las proteínas de membrana sensoras. Para lograr este objetivo empleamos un enfoque multidisciplinario que involucra el uso de fotosondas de afinidad, ensayos bioquímicos, cepas de S. aureus reporteras, espectrometría de masa, entre otras técnicas.

Publicaciones Seleccionadas

• Boudreau, M.A. Fishovitz, J. Llarrull, L.I. Xiao, Q. Mobashery, S.(2015) Phosphorylation of BlaR1 in Manifestation of Antibiotic Resistance in Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus and Its Abrogation by Small Molecules, ACS Infectious Diseases. 1(10), 454-459.

• Blázquez B, Llarrull LI, Luque-Ortega JR, Alfonso C, Boggess B, Mobashery S, equally contributing authors. (2014) Regulation of Expression of the -Lactam Antibiotic-Resistance Determinants in Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA), Biochemistry, 53:1548-1550.

• O’Daniel, P.I. Peng, Z. Pi, H. Testero, S. A. Ding, D. Spink, E. Leemans, E. Boudreau, M. A. Yamaguchi, T. Schroeder, V. A. Wolter, W. R. Llarrull, L. I. Song, W. Lastochkin, E. Kumarasiri, M. Antunes, N. T. Espahbodi, M. Lichtenwalter, K. Suckow, M. A. Vakulenko, S. Mobashery, S. Chang, M. (2014) Discovery of a New Class of Non-β-Lactam Inhibitors of Penicillin-binding Proteins with Gram-positive Antibacterial Activity”. Journal of the American Chemical Society, 136:3664-3672.

• Otero LH, Rojas-Altuve A, Llarrull LI, Carrasco-López C, Kumarasiri M, Lastochkin E, Fishovitz J, Dawley M, Hesek D, Lee M, Johnson JW, Fisher JF, Chang M, Mobashery S, Hermoso JA. (2013) How Allosteric Control of Staphylococcus aureus Penicillin-Binding Protein 2a Enables Methicillin-Resistance and Physiological Function, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10 (42):16808-16813.

• Llarrull LI, Mobashery S. (2012) Dissection of Events in the Resistance to β-Lactam Antibiotics Mediated by the Protein BlaR1 from Staphylococcus aureus, Biochemistry, 51:4642-4649.

• Kumarasiri, M. Llarrull, L.I. Borbulevych, O. Fishovitz, J. Lastochkin, E. Baker, B. M. Mobashery, S. (2012) An Amino-Acid Position at the Crossroads of Evolution of Protein Function: Antibiotic-Sensor Domain of the BlaR1 Protein from Staphylococcus aureus vs. Class D β –Lactamases; equally contributing authors. Journal of Biological Chemistry, 287(11):8232-41.

• Llarrull LI, Toth M, Champion MM, Mobashery S. (2011) Activation of BlaR1 Protein of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus, Its Proteolytic Processing and Recovery from Induction of Resistance, Journal of Biological Chemistry, 286(44):38148-38158.

• Borbulevych, O. Kumarasiri, M. Wilson, B. Llarrull, L. I. Lee, M. Hesek, D. Shi, Q. Peng, J.; Baker, B. M. Mobashery, S. (2011) Lysine Nζ-Decarboxylation Switch and Activation of the β-Lactam-Sensor Domain of BlaR1 of Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus. Journal of Biological Chemistry, 286(36): 31466-31472.

• Llarrull, L.I. Fisher, J.F. Mobashery, S. (2009) Molecular basis and phenotype of methicillin resistance in Staphylococcus aureus and insights into new beta-lactams that meet the challenge. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 53(10): 4051-4063. Review Article

Colaboradores

• Sebastián Testero y Luciana Méndez (IQUIR, Rosario, Argentina)
• Shahriar Mobashery (University of Notre Dame, Notre Dame, IN, USA)
• Juan Hermoso (Departamento de Cristalografía y Biología Estructural, Inst. Química-Física "Rocasolano", CSIC, Madrid, España)
• Matteo Dal Peraro, Luciano Abriata (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausana, Suiza)

Subsidios

  • PICT-2013-0505, Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, Investigador Responsable: Leticia Llarrull
  •  Subsidio del Programa de Cooperación Bilateral, NIVEL I, CONICET-NIH (2015-2017), Investigador Responsable: Leticia Llarrull.
  • PICT-2015-2521, Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, Investigador Responsable: Leticia Llarrull.

 

Director

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Leticia Llarrull
Sede CCT
Email: llarrull@ibr-conicet.gov.ar
Oficina Int: 638
Laboratorio Int: 625

Becarios Doctorales

Bruno Belluzo

Tesinistas

Melisa Antinori
Damila Mihovilcevic

Imágenes