Combattre la résistance aux aminoglycosides par inhibition des Aminoglycoside Phosphotransférases

Fighting the resistance to aminoglycoside by inhibiting Aminoglycoside Phosphotransferases

• Auteur / Autrice : Julien Kowalewski
• Direction : Corinne Lionne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CBS - Centre de Biologie Structurale
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Atelier de biologie chimie informatique structurale
• Jury : Président / Présidente : Jean-Denis Docquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Lionne, Laure Yatime, Engin Serpersu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Engin Serpersu, Jean-Denis Docquier

Mots clés

Mots clés libres

Antibiotique résistance

Biologie structurale

Biochimie des protéines

Enzymologie

Conception de médicaments

Bactériologie

Antibiotic resistance

Structural biology

Protein biochemistry

Enzymology

Drug design

Bacteriology

Résumé

Les bactéries sont des micro-organismes prokaryotes, on dénombre plus de 1030 espèces sur Terre, dont la plupart restent à découvrir. Elles ont joué un rôle essentiel dans l'évolution de la planète, et de nombreuses bactéries ont des interactions bénéfiques. Cependant, certaines bactéries peuvent provoquer des maladies et sont alors considéré comme pathogènes. Les antibiotiques sont des molécules produites par des micro-organismes ou synthétisées chimiquement, capables de tuer (bactéricides) ou d'inhiber (bactériostatiques) la croissance d’autre micro-organismes. Louis Pasteur a introduit le concept ''d'antibiose'' à la fin du XIXe siècle. Au début du XXe siècle, Paul Ehrlich a développé le salvarsan pour traiter la syphilis. La découverte de la pénicilline par Alexander Fleming en 1929 a marqué une avancée significative dans le traitement des infections bactériennes. L'âge d'or des antibiotiques, de 1940 à 1960, a conduit à la découverte de nombreux antibiotiques, dont plus de 50 % sont produits par les bactéries du genre Streptomyces. Cependant, depuis les années 1980, la découverte de nouveaux antibiotiques a décliné, et seules quelques molécules ont été identifiées au XXIe siècle. Ce travail de thèse se concentre sur les antibiotiques aminoglycosides, qui sont efficaces contre un large éventail de bactéries. Leur mécanisme d'action est divisé en trois phases. Dans la première phase, ces antibiotiques interagissent avec la paroi bactérienne et se retrouve dans le périplasme. Dans les deuxième et troisième phases, ils utilisent le potentiel membranaire de la chaîne respiratoire et pénètrent dans le cytoplasme, où ils se fixent sur l’ARNr 16S dans la sous-unité 30S du ribosome, entraînant une mauvaise lecture des ARNm et la production de protéines anormales. Cette interférence avec la synthèse des protéines conduit finalement à la mort des bactéries. Selon l'OMS, la résistance aux antimicrobiens est un problème de santé mondial. La résistance aux antibiotiques a évolué du fait de la pression de sélection constante exercée par les agents antimicrobiens, et la surutilisation des antibiotiques a aggravé ce problème. D'ici 2050, plus de dix millions de décès par an pourrait être amputé à la résistance aux antimicrobiens. Parmi les divers mécanismes de résistance, les enzymes de modification des aminoglycosides jouent un rôle clé. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les Aminoglycoside PHosphotransférases (APH). Elles catalysent le transfert du γ-phosphate d'un donneur nucléotidique vers divers aminoglycosides. La phosphorylation de ces par ces enzymes conduit à la formation d'un groupement négativement chargé, qui empêche l’interaction des antibiotiques avec leur cible. Comprendre ces mécanismes est essentiel pour développer des stratégies de lutte efficace contre la résistance aux antibiotiques. Plusieurs stratégies ont été développées pour contrer la résistance aux antibiotiques. Dans ces tavaux, nous nous concentrons sur les inhibiteurs d'enzymes, car il a été demontré que leur association avec des antibiotiques permet de restaurer la sensibilité de bactéries résistantes. Nous avons identifié et caractérisé des inhibiteurs d’APHs, capables de restaurer la sensibilité des bactéries résistantes aux aminoglycosides. Ces molécules sont des inhibiteurs compétitifs du nucléotide de plusieurs membres de cette famille. Cependant, des études supplémentaires sont nécessaires pour optimiser ces molécules et améliorer leur affinité et spécificité pour les APHs. Nous avons également élargi les connaissances disponibles sur l'APH(3')-IIb de P. aeruginosa grâce à des caractérisations moléculaires et structurales, contribuant ainsi à une meilleure compréhension de la résistance aux aminoglycosides conférée par cette enzyme.

Bacteria are prokaryotic microorganisms of which there are over 1030 bacterial species on Earth, ,most of which have yet to be discovered. They have played an essential role in the evolution of Earth, and many bacteria interact in beneficial ways. However, some bacteria can cause diseases and their pathogenicity is linked to their virulence and ability to counter host defenses. Antibiotics are molecules produced by microorganisms or chemically synthesized that can kill (bactericidal) or inhibit (bacteriostatic) the growth of microorganisms. Louis Pasteur introduced the concept of ''antibiosis'' at the end of the 19th century. Later, in the early 1900s, Paul Ehrlich developed salvarsan to treat syphilis. Alexander Fleming's discovery of penicillin in 1929 marked a significant breakthrough in the treatment of bacterial infections. The ''Golden Age'' of antibiotics, from 1940 to 1960, led to the discovery of various antibiotics, over 50% of which are produced by Streptomyces bacteria. However, since the 1980s, the discovery of new antibiotics has declined and only a few molecules have been identified in the 21st century. This thesis work focuses on aminoglycoside antibiotics, which are powerful and effective against a wide range of bacteria. Their mechanism of action is divided into three phases. In the first phase, these antibiotics interact with the bacterial cell wall and diffuse into the periplasm. In the second and third phases, they use the membrane potential of the respiratory chain and enter the cytoplasm, where they bind to the 16S rRNA in the 30S subunit of the ribosome, resulting in mRNA misreading and production of aberrant proteins. This interference with protein synthesis ultimately leads to the death of the bacteria. According to the WHO, antimicrobial resistance (AMR) is a serious global health problem. Bacterial resistance to antibiotics has evolved as a result of the constant selective pressure exerted by antimicrobial agents, and the overuse of antibiotics has exacerbated the issue. By 2050, AMR could be responsible for ten million deaths a year. Among the various resistance mechanisms, Aminoglycoside Modifying Enzymes (AME) play a key role. In this work, we focus on Aminoglycoside PHosphotransferases (APHs). They catalyse the transfer of the -phosphate from a nucleotide donor to various aminoglycosides. The phosphorylation of aminoglycosides by these enzymes leads to the formation of a negatively charged group, which interferes with the interaction of the antibiotics with its target. Understanding these mechanisms is essential to developing strategies for effectively combating antibiotic resistance. Several strategies are developed to overcome antibiotic resistance and, in this work, we focus on enzyme inhibitors because the combination of inhibitors with antibiotics can restore their efficacy against resistant bacteria, leading to bacterial death. In this work we have identified and characterised inhibitors of APH enzymes, which are capable of restoring the sensitivity of bacteria resistant to aminoglycosides. These molecules are competitive inhibitors of the nucleotide found in the binding site of several members of this family. However, further studies are required to optimise these molecules and improve affinity and specificity for APHs. We have also extended the knowledge available on the APH(3’)-IIb from P. aeruginosa through molecular and structural characterisations and helped to better understand the resistance to aminoglycosides conferred by this enzyme.