DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39491-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41688635
تاريخ النشر: 2026-02-13
المؤلف: Edison Eukun Sage وآخرون
الموضوع الرئيسي: مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تحليلًا حيويًا هيكليًا للطفرات غير المتجانسة المرتبطة بالمقاومة في عزلات *Escherichia coli* السريرية المقاومة للأدوية المتعددة من السودان، مع معالجة التحدي الصحي العام الذي تطرحه الخيارات العلاجية المحدودة في البيئات ذات الموارد المنخفضة. استخدمت الدراسة بيانات تسلسل الجينوم الكامل من 55 عزلة لإجراء تحليل حاسوبي للبروتينات المستهدفة الرئيسية للمضادات الحيوية، حيث تم تحديد 19 استبدالًا يحتمل أن تكون ضارة، بما في ذلك متغيرات جديدة في البروتين الريبوسومي L22 (rplV) وطفرات معروفة في بوليميراز RNA وتوبويزوميراز IV. ومن الجدير بالذكر أن النمذجة القائمة على الهيكل والتوصيل الجزيئي أظهرت آثارًا محددة للطفرات على تفاعلات المضادات الحيوية، مما يكشف عن انخفاض في الارتباط لبعض مثبطات التوبويزوميراز وآثار متغيرة على تفاعلات الماكروليد مع L22.
تسلط النتائج الضوء على أهمية الطفرات غير المتجانسة في المساهمة في مقاومة المضادات الحيوية في *E. coli* السودانية، مع وجود عدة طفرات جديدة، مثل GyrA-G214V وParE-D250G، التي تزعزع استقرار البروتينات المستهدفة مع الحفاظ على قدرات الارتباط بالعقاقير. كما تشير الدراسة إلى أن الطفرات الكلاسيكية في rpoB لا تزال متوافقة مع ارتباط مثبطات نوع CBR، مما يقترح طرق علاجية محتملة على الرغم من مقاومة الرفامبيسين. بشكل عام، توسع هذه الدراسة من المشهد الطفري لمقاومة المضادات الحيوية في *E. coli* وتؤكد على فائدة الأطر الحاسوبية لمراقبة المقاومة، داعية إلى دراسات مستقبلية تدمج التحقق التجريبي لتعزيز التشخيصات والاستراتيجيات العلاجية في المناطق ذات العبء العالي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة لمقاومة المضادات الحيوية في *Escherichia coli* المسببة للأمراض، خاصة في سياق الصحة العالمية. لقد تصاعدت المقاومة لفئات المضادات الحيوية الأساسية، مثل الفلوروكينولونات، والماكروليدات، والرفامبيسين، حيث أظهرت حوالي 20% من عزلات *E. coli* من التهابات المسالك البولية انخفاضًا في الحساسية تجاه الفلوروكينولونات. في السودان، تتراوح معدلات المقاومة للفلوروكينولونات مثل السيبروفلوكساسين والأوفلوكساسين من 55% إلى 58%، وأكثر من 90% من العزلات تظهر مقاومة متعددة للأدوية. تؤكد هذه الحالة على الحاجة الملحة لتحسين إدارة المضادات الحيوية والمراقبة الجزيئية في المنطقة.
على المستوى الجزيئي، تناقش الورقة الآليات الكامنة وراء مقاومة المضادات الحيوية في *E. coli*، والتي تشمل كل من محددات المقاومة المكتسبة أفقيًا والطفرات الكروموسومية التي تؤثر على البروتينات المستهدفة للمضادات الحيوية. ترتبط طفرات محددة في جينات مثل gyrA وparC وrpoB بالمقاومة ضد الفلوروكينولونات والرفامبيسين. كما تؤكد المقدمة على أهمية رسم خرائط الطفرات غير المتجانسة داخل المجالات الوظيفية الحرجة لبروتينات الهدف للمضادات الحيوية، مما يكشف أن العديد من الطفرات تتجمع في مناطق أساسية للنشاط الإنزيمي وارتباط المضادات الحيوية. هذه الرؤية الهيكلية ضرورية لفهم ديناميات المقاومة وتبرز الحاجة إلى مزيد من التحقق التجريبي من هذه المتغيرات.
الطرق
في قسم “الطرق”، تعترف الدراسة بحد كبير بسبب نقص التحقق التجريبي. بينما تقدم الأبحاث توقعات قوية حاسوبية بشأن الآثار الهيكلية والوظيفية للطفرات غير المتجانسة، إلا أنها لا تشمل تجارب في المختبر أو في الكائنات الحية. يحد هذا الغياب من القدرة على تأكيد التأثيرات الكيميائية الحيوية والظاهرة للطفرات المحددة، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الدراسات التجريبية لدعم النتائج الحاسوبية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تحديد ما مجموعه 71 طفرة غير متجانسة عبر البروتينات الرئيسية المرتبطة بمقاومة المضادات الحيوية في 55 عزلة من *E. coli* السودانية. كشفت التحليلات أن وحدة الجين DNA gyrase A (GyrA، الجين gyrA) كانت لديها أعلى تكرار للطفرات، مع 24 استبدالًا (33.8%)، مما يبرز دورها الحاسم في مقاومة الفلوروكينولونات. تم العثور على طفرات ملحوظة أخرى في وحدة التوبويزوميراز IV ParC (parC) مع 13 طفرة (18.3%) والبروتين الريبوسومي L22 (rplV) مع 12 طفرة (16.9%). بالإضافة إلى ذلك، لوحظت أعداد معتدلة من الطفرات في ParE (parE) (9 طفرات؛ 12.7%) وGyrB (gyrB) (8 طفرات؛ 11.3%).
على النقيض من ذلك، أظهرت وحدات بوليميراز RNA عددًا قليلًا نسبيًا من الطفرات، حيث أظهرت RpoB (rpoB) وRpoC (rpoC) 3 (4.2%) و2 (2.8%) طفرات، على التوالي. ومن الجدير بالذكر أنه لم يتم الكشف عن أي طفرات في جينات مقاومة الكينولون المعتمدة على البلازميد (qnrB وqnrS) أو في جينات البروتين الريبوسومي rpsL وrplD. تؤكد هذه النتائج على GyrA وGyrB وParC والبروتين الريبوسومي L22 كنقاط الطفرات الرئيسية بين البروتينات المرتبطة بالمقاومة في عزلات *E. coli* المدروسة، مما يبرز أهميتها في آليات مقاومة المضادات الحيوية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على الآثار الهيكلية والوظيفية لمقاومة الفلوروكينولونات والماكروليدات في *E. coli*، مع التركيز بشكل خاص على الطفرات غير المتجانسة في البروتينات المستهدفة الرئيسية للمضادات الحيوية. تؤكد الدراسة أنه بينما ركزت الأبحاث السابقة بشكل أساسي على الطفرات المقاومة الكلاسيكية، هناك فجوة كبيرة في فهم آثار الطفرات الجغرافية المحددة أو غير الكلاسيكية، خاصة في المناطق غير الممثلة مثل السودان. قام المؤلفون بإجراء تحليل حيوي هيكلي شامل لـ 71 طفرة غير متجانسة تم تحديدها في عزلات *E. coli* الموصوفة سريريًا من السودان، مما يكشف أن 19 من هذه المتغيرات تم تصنيفها على أنها ضارة، مع نسبة ملحوظة منها كونها استبدالات جديدة.
استخدم التحليل أدوات حاسوبية متعددة لتقييم استقرار هذه الطفرات ومرضيتها، حيث وجدت أن معظم المتغيرات الضارة تتنبأ بتأثيرات مدمرة على هيكل البروتين، مما قد يهدد تفاعلات المضادات الحيوية. على سبيل المثال، أظهرت الطفرات في البروتين الريبوسومي L22 زعزعة استقرار كبيرة وتغيرات في تقارب الارتباط للماكروليدات، بينما أظهرت الطفرات في *rpoB* و*parC* تأثيرات متباينة على ارتباط العقاقير. تؤكد نتائج الدراسة على أهمية دمج المعلومات الحيوية الهيكلية في مراقبة مقاومة المضادات الحيوية، حيث توفر رؤى حول العواقب الوظيفية لكل من الطفرات الكلاسيكية وغير الكلاسيكية، مما يعزز فهمنا لآليات المقاومة في تجمعات *E. coli* من البلدان ذات الدخل المنخفض والمتوسط.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39491-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41688635
Publication Date: 2026-02-13
Author(s): Edison Eukun Sage et al.
Primary Topic: Antibiotic Resistance in Bacteria
Overview
This research presents a structural bioinformatics analysis of resistance-associated missense mutations in multidrug-resistant *Escherichia coli* clinical isolates from Sudan, addressing the public health challenge posed by limited therapeutic options in low-resource settings. The study utilized whole-genome sequencing data from 55 isolates to conduct an in silico analysis of key antibiotic target proteins, identifying 19 likely deleterious substitutions, including novel variants in ribosomal protein L22 (rplV) and established mutations in RNA polymerase and topoisomerase IV. Notably, structure-based modeling and molecular docking indicated mutation-specific effects on antibiotic interactions, revealing reduced binding for certain topoisomerase inhibitors and variable effects on macrolide interactions with L22.
The findings highlight the significance of non-canonical missense mutations in contributing to antimicrobial resistance in Sudanese *E. coli*, with several novel mutations, such as GyrA-G214V and ParE-D250G, destabilizing target proteins while maintaining drug binding capabilities. The study also notes that classical rpoB mutations remain compatible with CBR-type inhibitor binding, suggesting potential therapeutic avenues despite rifampicin resistance. Overall, this work expands the mutational landscape of antimicrobial resistance in *E. coli* and underscores the utility of computational frameworks for resistance surveillance, advocating for future studies that integrate experimental validation to enhance diagnostics and therapeutic strategies in high-burden regions.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of antimicrobial resistance in pathogenic Escherichia coli (E. coli), particularly in the context of global health. Resistance to essential antibiotic classes, such as fluoroquinolones, macrolides, and rifampicin, has escalated, with approximately 20% of E. coli isolates from urinary tract infections showing reduced susceptibility to fluoroquinolones. In Sudan, resistance rates to fluoroquinolones like ciprofloxacin and ofloxacin are alarmingly high, ranging from 55% to 58%, and over 90% of isolates exhibit multidrug resistance. This situation underscores the urgent need for improved antimicrobial stewardship and molecular surveillance in the region.
At the molecular level, the paper discusses the mechanisms underlying antimicrobial resistance in E. coli, which include both horizontally acquired resistance determinants and chromosomal mutations affecting antibiotic target proteins. Specific mutations in genes such as gyrA, parC, and rpoB are linked to resistance against fluoroquinolones and rifampicin. The introduction also emphasizes the significance of mapping missense mutations within critical functional domains of antibiotic target proteins, revealing that many mutations cluster in areas essential for enzymatic activity and antibiotic binding. This structural insight is crucial for understanding the dynamics of resistance and highlights the necessity for further experimental validation of these variants.
Methods
In the “Methods” section, the study acknowledges a significant limitation due to the lack of experimental validation. While the research offers robust in silico predictions concerning the structural and functional effects of missense mutations, it does not include in vitro or in vivo experiments. This absence restricts the ability to confirm the biochemical and phenotypic impacts of the identified mutations, highlighting the need for further empirical studies to substantiate the computational findings.
Results
In this study, a total of 71 missense mutations were identified across key antibiotic resistance-associated proteins in 55 Sudanese *E. coli* isolates. The analysis revealed that the DNA gyrase subunit A (GyrA, gene gyrA) had the highest mutation frequency, with 24 substitutions (33.8%), highlighting its critical role in fluoroquinolone resistance. Other notable mutations were found in the topoisomerase IV subunit ParC (parC) with 13 mutations (18.3%) and the ribosomal protein L22 (rplV) with 12 mutations (16.9%). Additionally, moderate mutation counts were observed in ParE (parE) (9 mutations; 12.7%) and GyrB (gyrB) (8 mutations; 11.3%).
Conversely, RNA polymerase subunits exhibited relatively few mutations, with RpoB (rpoB) and RpoC (rpoC) showing 3 (4.2%) and 2 (2.8%) mutations, respectively. Notably, no mutations were detected in plasmid-mediated quinolone resistance genes (qnrB and qnrS) or in the ribosomal protein genes rpsL and rplD. These findings underscore GyrA, GyrB, ParC, and ribosomal protein L22 as the primary mutation hotspots among resistance-associated proteins in the studied *E. coli* isolates, emphasizing their significance in antibiotic resistance mechanisms.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the structural and functional implications of fluoroquinolone and macrolide resistance in *E. coli*, particularly focusing on missense mutations in key antibiotic target proteins. The study emphasizes that while previous research has primarily concentrated on canonical resistance mutations, there is a significant gap in understanding the effects of geographically specific or non-canonical mutations, especially in underrepresented regions like Sudan. The authors conducted a comprehensive structural bioinformatics analysis of 71 missense mutations identified in clinically characterized *E. coli* isolates from Sudan, revealing that 19 of these variants were classified as deleterious, with a notable proportion being novel substitutions.
The analysis utilized multiple computational tools to assess the stability and pathogenicity of these mutations, finding that most deleterious variants predicted destabilizing effects on protein structure, which could compromise antibiotic interactions. For instance, mutations in ribosomal protein L22 exhibited significant destabilization and altered binding affinities for macrolides, while mutations in *rpoB* and *parC* showed varying impacts on drug binding. The study’s findings underscore the importance of integrating structural bioinformatics into antimicrobial resistance surveillance, as it provides insights into the functional consequences of both canonical and non-canonical mutations, thereby enhancing our understanding of resistance mechanisms in *E. coli* populations from low- and middle-income countries.