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生物物理原理预测耐药性的适应度景观。

Biophysical principles predict fitness landscapes of drug resistance.

作者信息

Rodrigues João V, Bershtein Shimon, Li Anna, Lozovsky Elena R, Hartl Daniel L, Shakhnovich Eugene I

机构信息

Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138;

Department of Life Sciences, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva 8410501, Israel;

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Mar 15;113(11):E1470-8. doi: 10.1073/pnas.1601441113. Epub 2016 Feb 29.

Abstract

Fitness landscapes of drug resistance constitute powerful tools to elucidate mutational pathways of antibiotic escape. Here, we developed a predictive biophysics-based fitness landscape of trimethoprim (TMP) resistance for Escherichia coli dihydrofolate reductase (DHFR). We investigated the activity, binding, folding stability, and intracellular abundance for a complete set of combinatorial DHFR mutants made out of three key resistance mutations and extended this analysis to DHFR originated from Chlamydia muridarum and Listeria grayi We found that the acquisition of TMP resistance via decreased drug affinity is limited by a trade-off in catalytic efficiency. Protein stability is concurrently affected by the resistant mutants, which precludes a precise description of fitness from a single molecular trait. Application of the kinetic flux theory provided an accurate model to predict resistance phenotypes (IC50) quantitatively from a unique combination of the in vitro protein molecular properties. Further, we found that a controlled modulation of the GroEL/ES chaperonins and Lon protease levels affects the intracellular steady-state concentration of DHFR in a mutation-specific manner, whereas IC50 is changed proportionally, as indeed predicted by the model. This unveils a molecular rationale for the pleiotropic role of the protein quality control machinery on the evolution of antibiotic resistance, which, as we illustrate here, may drastically confound the evolutionary outcome. These results provide a comprehensive quantitative genotype-phenotype map for the essential enzyme that serves as an important target of antibiotic and anticancer therapies.

摘要

耐药性适应度景观是阐明抗生素逃逸突变途径的有力工具。在此,我们针对大肠杆菌二氢叶酸还原酶(DHFR)构建了基于预测生物物理学的甲氧苄啶(TMP)耐药性适应度景观。我们研究了由三个关键耐药突变构成的完整组合DHFR突变体的活性、结合、折叠稳定性和细胞内丰度,并将此分析扩展至源自鼠衣原体和格氏李斯特菌的DHFR。我们发现,通过降低药物亲和力获得TMP耐药性受到催化效率权衡的限制。耐药突变体同时影响蛋白质稳定性,这使得无法从单一分子特征精确描述适应度。动力学通量理论的应用提供了一个准确的模型,可根据体外蛋白质分子特性的独特组合定量预测耐药表型(IC50)。此外,我们发现对GroEL/ES伴侣蛋白和Lon蛋白酶水平进行可控调节会以突变特异性方式影响DHFR的细胞内稳态浓度,而IC50则按比例变化,正如模型所预测的那样。这揭示了蛋白质质量控制机制在抗生素耐药性进化中多效性作用的分子原理,正如我们在此所说明的,这可能会极大地混淆进化结果。这些结果为作为抗生素和抗癌疗法重要靶点的关键酶提供了全面的定量基因型 - 表型图谱。

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