Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1030910.32607/20758251-2018-10-4-33-48ReviewsОбзорыResearch ArticleBacterial Enzymes and Antibiotic ResistanceБактериальные ферменты и резистентность к антибиотикамEgorovA. M.ЕгоровA. M.
Russian Federation
mrubtsova@gmail.comUlyashovaM. M.УляшоваM. M.
Russian Federation
mrubtsova@gmail.comRubtsovaM. Yu.РубцоваM. Ю.
Russian Federation
mrubtsova@gmail.comM.V. Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова15122018104VOL 10, NO4 (2018)ТОМ 10, №4 (2018)334817012020Copyright ©; 2018, Egorov A.M., Ulyashova M.M., Rubtsova M.Y.Copyright ©; 2018, Егоров A.M., Уляшова M.M., Рубцова M.Ю.2018Egorov A.M., Ulyashova M.M., Rubtsova M.Y.Егоров A.M., Уляшова M.M., Рубцова M.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10309

The resistance of microorganisms to antibiotics has been developing for more than 2 billion years and is widely distributed among various representatives of the microbiological world. Bacterial enzymes play a key role in the emergence of resistance. Classification of these enzymes is based on their participation in various biochemical mechanisms: modification of the enzymes that act as antibiotic targets, enzymatic modification of intracellular targets, enzymatic transformation of antibiotics, and the implementation of cellular metabolism reactions. The main mechanisms of resistance development are associated with the evolution of superfamilies of bacterial enzymes due to the variability of the genes encoding them. The collection of all antibiotic resistance genes is known as the resistome. Tens of thousands of enzymes and their mutants that implement various mechanisms of resistance form a new community that is called “the enzystome.” Analysis of the structure and functional characteristics of enzymes, which are the targets for different classes of antibiotics, will allow us to develop new strategies for overcoming the resistance.

Резистентность к антибиотикам развивается уже более 2 млрд лет и широко распространена среди микроорганизмов. Ключевую роль в формировании резистентности играют бактериальные ферменты, классификация которых основана на участии в различных каталитических процессах: модификации ферментов, являющихся мишенями антибиотиков, и внутриклеточных мишеней, трансформации молекул антибиотиков и осуществлении реакций клеточного метаболизма. Основные механизмы развития резистентности связаны с эволюцией суперсемейств бактериальных ферментов, обусловленной изменчивостью кодирующих их генов, совокупность которых получила название «резистом». Десятки тысяч ферментов и их мутантов, реализующих различные механизмы резистентности, образуют новое сообщество, названное «энзистом». Анализ структуры и функциональных особенностей ферментов - мишеней разных классов антибиотиков, позволит выработать новые стратегии преодоления резистентности.

antibiotic resistanceenzymesmutant formsantibioticsантибиотикиантибиотикорезистентностьклассы ферментовмутантные формыThis work was supported by the Russian Science Foundation (project No. 15-14-00014-P).Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 15-14-00014-П).[1] // Antimicrobial Resistance Global Report on surveillance. 2014, url http://www.who.int/ drugresistance/en[2] Roca I., Akova M., Baquero F., Carlet J., Cavaleri M., Coenen S., Cohen J., Findlay D., Gyssens I., Heure O.E. // New Microbes New Infect. 2015, V.6, P.22-29[3] Chang Q., Wang W., Regev-Yochay G., Lipsitch M., Hanage W.P. // Evol. Appl. 2015, V.8, №3, P.240-247[4] Holmes A.H., Moore L.S.P., Sundsfjord A., Steinbakk M., Regmi S., Karkey A., Guerin P.J., Piddock L.J.V. // Lancet. 2016, V.387, P.176-187[5] Wright G.D. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2005, V.57, №10, P.1451-1470[6] Morar M., Wright G.D. // Annu. Rev. Genet. 2010, V.44, №1, P.25-51[7] Vollmer W., Blanot D., De Pedro M.A. // FEMS Microbiol. Rev. 2008, V.32, №2, P.149-167[8] Sauvage E., Kerff F., Terrak M., Ayala J.A., Charlier P. // FEMS Microbiol. Rev. 2008, V.32, №2, P.234-258[9] Sauvage E., Terrak M. // Antibiotics. 2016, V.5, №1, P.12[10] Bush K., Bradford P.A. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2016, V.6, №8, P.1-22[11] Nikolaidis I., Favini-Stabile S., Dessen A. // Protein Sci. 2014, V.23, №3, P.243-259[12] Chambers H.F., Deleo F.R. // Nat. Rev. Microbiol. 2009, V.7, №9, P.629-641[13] Fuda C., Suvorov M., Vakulenko S.B., Mobashery S. // J. Biol. Chem. 2004, V.279, №39, P.40802-40806[14] Diaz R., Ramalheira E., Afreixo V., Gago B. // Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 2016, V.84, №2, P.135-140[15] Liu J., Chen D., Peters B.M., Li L., Li B., Xu Z., Shirliff M.E. // Microb. Pathog. 2016, V.101, P.56-67[16] Correia S., Poeta P., Hébraud M., Capelo J.L., Igrejas G. // J. Med. Microbiol. 2017, V.66, №5, P.551-559[17] Aldred K.J., Kerns R.J., Osheroff N. // Biochemistry. 2014, V.53, №10, P.1565-1574[18] Hooper D.C., Jacoby G.A. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2016, V.6, №9, P.1-21[19] Wentzell L.M., Maxwell A. // J. Mol. Biol. 2000, V.304, №5, P.779-791[20] Willmott C.J., Critchlow S.E., Eperon I.C., Maxwell A. // J. Mol. Biol. 1994, V.242, P.351-363[21] Drlica K., Malik M., Kerns R.J., Zhao X. // Antimicrob. Agents Chemother. 2008, V.52, №2, P.385-392[22] Drlica K., Hiasa H., Kerns R., Malik M., Mustaev A., Zhao X. // Curr. Top. Med. Chem. 2009, V.9, №11, P.981-998[23] Costa V.D., Wright G.D. // Antimicrobial Drug Resistance / Ed. Mayers D.L. New York: Humana Press, 2009 2009, P.81-95[24] Borukhov S., Nudler E. // Curr. Opin. Microbiol. 2003, V.6, №2, P.93-100[25] Dookie N., Rambaran S., Padayatchi N., Mahomed S., Naidoo K. // J. Antimicrob. Chemother. 2018, V.73, №5, P.1138-1151[26] Palomino J.C., Martin A. // Antibiot. 2014, V.3, №3, P.317-340[27] Vilchèze C., Morbidoni H.R., Weisbrod T.R., Iwamoto H., Kuo M., Sacchettini J.C., Jacobs W.R. // Journal of Bacteriology 2000, V.182, №14, P.4059-4067[28] Larsen M.H., Vilchèze C., Kremer L., Besra G.S., Parsons L., Salfinger M., Heifets L., Hazbon M.H., Alland D., Sacchettini J.C. // Mol. Microbiol. 2002, V.46, №2, P.453-466[29] Machado D., Perdigão J., Ramos J., Couto I., Portugal I., Ritter C., Boettger E.C., Viveiros M. // J. Antimicrob. Chemother. 2013, V.68, №8, P.1728-1732[30] Wilson D.N. // Nat. Rev. Microbiol. 2014, V.12, №1, P.35-48[31] Krause K.M., Serio A.W., Kane T.R., Connolly L.E. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2016, V.6, №6, P.1-18[32] Doi Y., Wachino J., Arakawa Y. // Infect. Dis. Clin. North Am. 2016, V.30, №2, P.523-537[33] Wachino J.I., Arakawa Y. // Drug Resist. Updat. 2012, V.15, №3, P.133-148[34] Hidalgo L., Hopkins K.L., Gutierrez B., Ovejero C.M., Shukla S., Douthwaite S., Prasad K.N., Woodford N., Gonzalez-Zorn B. // J. Antimicrob. Chemother. 2013, V.68, №7, P.1543-1550[35] Fyfe C., Grossman T.H., Kerstein K., Sutcliffe J. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2016, V.6, №10, P.1-38[36] Boal A.K., Grove T.L., McLaughlin M.I., Yennawar N.H., Booker S.J., Rosenzweig A.C. // Science. 2011, V.332, №6033, P.1089-1092[37] Hajduk P.J., Dinges J., Schkeryantz J.M., Janowick D., Kaminski M., Tufano M., Augeri D.J., Petros A., Nienaber V., Zhong P. // J. Med. Chem. 1999, V.42, №19, P.3852-3859[38] Feder M., Purta E., Koscinski L., Čubrilo S., Vlahovicek G.M., Bujnicki J.M. // ChemMedChem. 2008, V.3, №2, P.316-322[39] Périchon B., Courvalin P. // Antibiotic Discovery and Development / Eds Dougherty T.J., Pucci M.J. Boston: Springer US, 2012. 2012, P.515-542[40] Courvalin P. // Clin. Infect. Dis. 2006, V.42, P.25-34[41] Hegstad K., Mikalsen T., Coque T.M., Werner G., Sundsfjord A. // Clin. Microbiol. Infect. 2010, V.16, №6, P.541-554[42] Cattoir V., Leclercq R. // J. Antimicrob. Chemother. 2013, V.68, №4, P.731-742[43] Sidorenko S.V., Tishkov V.I. // Uspehi biologicheskoy khimii. 2004, V.44, P.263-306[44] Poirel L., Jayol A., Nordmanna P. // Clin. Microbiol. Rev. 2017, V.30, №2, P.557-596[45] Liu Y.Y., Wang Y., Walsh T.R., Yi L.X., Zhang R., Spencer J., Doi Y., Tian G., Dong B., Huang X. // Lancet Infect. Dis. 2016, V.16, №2, P.161-168[46] Sun J., Zhang H., Liu Y.H., Feng Y. // Trends Microbiol. 2018, V.26, №9, P.794-808[47] Bonomo R.A. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2017, V.7, №1, P.1-16[48] Hall B.G., Barlow M. // J. Antimicrob. Chemother. 2005, V.55, №6, P.1050-1051[49] Ghuysen J.-M. // Trends Microbiol 1994, V.2, №10, P.372-380[50] Bush K., Jacoby G.A. // Antimicrob. Agents Chemother. 2010, V.54, №3, P.969-976[51] Bush K. // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2013, V.1277, №1, P.84-90[52] Orencia M.C., Yoon J.S., Ness J.E., Stemmer W.P.C., Stevens R.C. // Nat. Struct. Biol. 2001, V.8, №3, P.238-242[53] Brown N.G., Pennington J.M., Huang W., Ayvaz T., Palzkill T. // J. Mol. Biol. 2010, V.404, №5, P.832-846[54] Grigorenko V., Uporov I., Rubtsova M., Andreeva I., Shcherbinin D., Veselovsky A., Serova O., Ulyashova M., Ishtubaev I., Egorov A. // FEBS Open Bio. 2018, V.8, №1, P.117-129[55] Philippon A., Arlet G., Jacoby G.A. // Antimicrob. Agents Chemother. 2002, V.46, №1, P.1-11[56] Bebrone C. // Biochem. Pharmacol. 2007, V.74, №12, P.1686-1701[57] Nordmann P., Poirel L., Walsh T.R., Livermore D.M. // Trends Microbiol. 2011, V.19, №12, P.588-595[58] Docquier J.D., Mangani S. // Drug Resist. Updat. 2017, V.36, №November, P.13-29[59] King D.T., Sobhanifar S., Strynadka N.C.J. // Protein Sci. 2016, V.25, №4, P.787-803[60] Rotondo C.M., Wright G.D. // Curr. Opin. Microbiol. 2017, V.39, P.96-105[61] Morar M., Pengelly K., Koteva K., Wright G.D. // Biochemistry. 2012, V.51, №8, P.1740-1751[62] Gomes C., Martínez-Puchol S., Palma N., Horna G., RuizRoldán L., Pons M.J., Ruiz J. // Crit. Rev. Microbiol. 2017, V.43, №1, P.1-30[63] Schwarz S., Shen J., Kadlec K., Wang Y., Michael G.B., Feßler A.T., Vester B. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2016, V.6, №11, P.1-30[64] Zárate S., De la Cruz Claure M., Benito-Arenas R., Revuelta J., Santana A., Bastida A. // Molecules. 2018, V.23, №2, P.284[65] Garneau-Tsodikova S., Labby K.J. // Med. Chem. Comm. 2016, V.7, №1, P.11-27[66] Soler Bistué A.J.C., Martín F.A., Vozza N., Ha H., Joaquín J.C., Zorreguieta A., Tolmasky M.E. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, V.106, P.13230-13235[67] Fair R.J., McCoy L.S., Hensler M.E., Aguilar B., Nizet V., Tor Y. // ChemMedChem. 2014, V.9, №9, P.2164-2171[68] Santana A.G., Zárate S.G., Asensio J.L., Revuelta J., Bastida A. // Org. Biomol. Chem. 2016, V.14, №2, P.516-525[69] Labby K.J., Garneau-Tsodikova S. // Future Med. Chem. 2013, V.5, №11, P.1285-1309[70] Gao F., Yan X., Auclair K. // Chem. Eur. J. 2009, V.15, №9, P.2064-2070[71] Li Y., Green K.D., Johnson B.R., Garneau-Tsodikova S. // Antimicrob. Agents Chemother. 2015, V.59, №7, P.4148-4156[72] Shakya T., Stogios P.J., Waglechner N., Evdokimova E., Ejim L., Blanchard J.E., McArthur A.G., Savchenko A., Wright G.D. // Chem. Biol. 2011, V.18, №12, P.1591-1601[73] Welch K.T., Virga K.G., Whittemore N.A., Özen C., Wright E., Brown C.L., Lee R.E., Serpersu E.H. // Bioorganic Med. Chem. 2005, V.13, №22, P.6252-6263[74] Boehr D.D., Draker K., Koteva K., Bains M., Hancock R.E., Wright G.D. // Chem. Biol. 2003, V.10, P.189-196[75] Berkov-Zrihen Y., Green K.D., Labby K.J., Feldman M., Garneau-Tsodikova S., Fridman M. // J. Med. Chem. 2013, V.56, №13, P.5613-5625[76] Galopin S., Cattoir V., Leclercq R. // FEMS Microbiol. Lett. 2009, V.296, №2, P.185-189[77] Mosher R.H., Camp D.J., Yang K., Brown M.P., Shaw W. V., Vining L.C., Mosher M., Microbiol G. // J. Biol. Chem. 1995, V.270, №45, P.27000-27006[78] Woodford N., Carattoli A., Karisik E., Underwood A., Ellington M.J., Livermore D.M. // Antimicrob. Agents Chemother. 2009, V.53, №10, P.4472-4482[79] Lee Y., Kim B.S., Chun J., Yong J.H., Lee Y.S., Yoo J.S., Yong D., Hong S.G., D’Souza R., Thomson K.S. // Biomed. Res. Int. 2014, V.2014, P.1-6[80] Silver L.L. // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2017, V.7, №2, P.1-12[81] Roberts A.A., Sharma S. V., Strankman A.W., Duran S.R., Rawat M., Hamilton C.J. // Biochem. J. 2013, V.451, №1, P.69-79[82] De Pascale G., Wright G.D. // ChemBioChem 2010, V.11, №10, P.1325-1334[83] Spanogiannopoulos P., Waglechner N., Koteva K., Wright G.D. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014, V.111, №19, P.7102-7107[84] Koteva K., Cox G., Kelso J.K., Surette M.D., Zubyk H.L., Ejim L., Stogios P., Savchenko A., Sørensen D., Wright G.D. // Cell Chem. Biol. 2018, V.25, №4, P.403-412[85] Laborde J., Deraeve C., Bernardes-Génisson V. // ChemMedChem. 2017, V.12, №20, P.1657-1676[86] Zhang W., Fisher J.F., Mobashery S. // Curr. Opin. Microbiol. 2009, V.12, №5, P.505-511[87] Cha J.Y., Ishiwata A., Mobashery S. // J. Biol. Chem. 2004, V.279, №15, P.14917-14921[88] Allen H.K., Moe L.A., Rodbumrer J., Gaarder A., Handelsman J. // ISME J. 2009, V.3, №2, P.243-251[89] Boehr D.D., Daigle D.M., Wright G.D. // Biochemistry. 2004, V.43, №30, P.9846-9855[90] Daigle D.M., Hughes D.W., Wright G.D. // Chem. Biol. 1999, V.6, №2, P.99-110[91] Green K.D., Garneau-Tsodikova S. // Biochimie. 2013, V.95, №6, P.1319-1325[92] Green K.D., Chen W., Garneau-Tsodikova S. // Antimicrob. Agents Chemother. 2011, V.55, №7, P.3207-3213[93] Mendes R.E., Toleman M. A., Ribeiro J., Sader H.S., Jones R.N., Walsh T.R. // Antimicrob. Agents Chemother. 2004, V.48, №12, P.4693-4702[94] Robicsek A., Strahilevitz J., Jacoby G.A., Macielag M., Abbanat D., Chi H.P., Bush K., Hooper D.C. // Nat. Med. 2006, V.12, №1, P.83-88[95] Vetting M.W., Park C.H., Hegde S.S., Jacoby G.A., Hooper D.C., Blanchard J.S. // Biochemistry. 2008, V.47, №37, P.9825-9835