Elucidation of the complex mode-of-resistance of the natural topoisomerase type IIA inhibitors cystobactamids

Abstract

Cystobactamids are novel topoisomerase IIa inhibitors with broad-spectrum antibacterial activity that could help to fill the dry antibiotic pipeline. This thesis describes the extensive evaluation of the antibacterial activity of cystobactamids and the characterization of associated resistance mechanisms in different bacterial species. In Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa, new modes of resistance were uncovered relying on specific mutations in regulatory two-component systems. Mutations in the QseBC system in cystobactamid-resistant E. coli lead to modifications of lipid A of the outer membrane. The mode of resistance in P. aeruginosa relies on mutations in the CpxSR two-component system, triggering a complex response and the bacteria become resistant to cystobactamids though cell envelope modifications and export via multidrug efflux pumps. The mode of resistance in Klebsiella pneumoniae needs further investigation but it was found that the high-affinity binding protein AlbA plays a major role in cystobactamid resistance. Mutations in the target enzymes gyrase and topoisomerase IV were found in Acinetobacter baumannii and Staphylococcus aureus, which were partly accompanied by mutations leading to outer membrane modifications in A. baumannii and the upregulation of multidrug efflux pumps in S. aureus.

Cystobactamide sind neuartige Topoisomerase IIa Inhibitoren mit antibakterieller Breitbandaktivität, die möglicherweise dazu beitragen können, die trockene Antibiotika-Pipeline zu füllen. Diese Arbeit beschreibt die umfassende Charakterisierung der antibakteriellen Aktivität von Cystobactamiden und die assoziierten Resistenzmechanismen in verschiedenen Bakterienspezies. In Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa wurden neue Mechanismen der Resistenzbildung entdeckt, die auf spezifischen Mutationen in regulatorischen Zweitkomponentensystemen beruhen. Mutationen im QseBC-System von E. coli führen letztlich zu Modifikationen von Lipid A der äußeren Membran. Der Resistenzmechanismus in P. aeruginosa beruht auf Mutationen im CpxSR-Zweikomponentensystem, welche zu komplexen Downstream-Effekten führen; Die Bakterien werden resistent gegenüber Cystobactamiden durch Modifikation ihrer Zellhülle, und deren Export über Multidrug-Effluxpumpen. Der Resistenzmechanismus in Klebsiella pneumoniae bedarf weiterer Studien, aber es konnte gezeigt werden, dass das hochaffine Bindeprotein AlbA maßgeblich an der Resistenz gegenüber Cystobactamiden beteiligt ist. In Acinetobacter baumannii und Staphylococcus aureus wurden Mutationen in den Targetenzymen Gyrase und Topoisomerase IV gefunden, die zum Teil durch Mutationen begleitet waren, die zur Modifikationen der äußeren Membran von A. baumannii oder der Hochregulation von Multidrug-Effluxpumpen in S. aureus führen.