DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55791-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762254
تاريخ النشر: 2025-01-06
المؤلف: Dan Fang وآخرون
الموضوع الرئيسي: مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا
نظرة عامة
تيغيسيكلين هو مضاد حيوي حاسم يستخدم كملاذ أخير لعلاج العدوى المعقدة التي تسببها مسببات الأمراض المقاومة لمجموعة من الأدوية؛ ومع ذلك، فإن ظهور جينات tet(X) المعتمدة على البلازميد يقوض بشكل كبير فعاليته. تبحث هذه الدراسة في الفروق الأيضية بين *E. coli* السلبية و الإيجابية لـ tet(X)، حيث تكشف أن الأخيرة تظهر انخفاضًا ملحوظًا في مسار أيض السيستين والميثيونين عند تعرضها لتيغيسيكلين. ومن الجدير بالذكر أن إضافة L-methionine (Met) الخارجي قد أعادت حساسية مسببات الأمراض الإيجابية لـ tet(X) تجاه تيغيسيكلين من خلال تعزيز تراكم المضاد الحيوي داخل الخلايا عبر زيادة القوة الدافعة للبروتونات البكتيرية.
من الناحية الميكانيكية، يسهل Met التحويل إلى S-adenosyl-L-methionine، وهو مانح ميثيل حاسم، مما يزيد من ميثيل 5mC في منطقة المحفز لجين tet(X4)، وبالتالي يقلل من تعبيره. تم تقليل تأثير التعزيز لـ Met على تيغيسيكلين في سلالات *E. coli* التي تفتقر إلى جين dcm، الذي يشفر ميثيل ترانسفيراز السيتوزين في الحمض النووي، ولكن تم استعادته في السلالات المكملة. في نماذج العدوى الحيوانية المختلفة، عزز Met بشكل كبير فعالية تيغيسيكلين ضد *E. coli* المسببة للأمراض و *K. pneumoniae*. تؤكد هذه الأبحاث على إمكانية Met في مواجهة مقاومة تيغيسيكلين عالية المستوى المعتمدة على البلازميدات وتقترح نهجًا جديدًا لتحسين فعالية المضادات الحيوية من خلال الاستفادة من المسارات الأيضية الخلوية والتعديلات الوراثية.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح معايير اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل البيانات. نفذ الباحثون تجربة عشوائية محكومة لضمان موثوقية النتائج، باستخدام أحجام عينات مناسبة تم حسابها من خلال تحليل القوة.
شملت جمع البيانات أدوات وبروتوكولات موحدة لتقليل التحيز والتباين. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية سهلت تطبيق كل من الإحصائيات الوصفية والاستنتاجية، بما في ذلك نماذج الانحدار واختبار الفرضيات. يبرز القسم الالتزام بالإرشادات الأخلاقية طوال عملية البحث، مما يضمن سرية المشاركين والموافقة المستنيرة. بشكل عام، فإن الطرق المستخدمة قوية ومناسبة لمعالجة الأسئلة البحثية المطروحة في الدراسة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء تحليل متعدد الأومكس المتكامل لمقارنة ملفات التعبير الجيني والأيضية لسلالات *E. coli* DH5α (pUC19) (Tig-S) و DH5α (pUC19-tet(X4)) (Tig-R). كشفت التحليلات عن عدد كبير من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) مع عتبة تغيير لوغاريتمي (FC) تبلغ ≥1 أو ≤-1، كما هو موضح في مخطط فين (الشكل 1a). حدد تحليل إثراء علم الأحياء الجيني (GO) العمليات الخلوية والأيضية كالمسارات الأساسية المتغيرة، بينما سلطت موسوعة كيوتو للجينات والجنوم (KEGG) الضوء على أيض الكربوهيدرات والأحماض الأمينية كأكثر المسارات تأثرًا. ومن الجدير بالذكر أن أيض الأحماض الأمينية، وأيض الطاقة، وأيض النوكليوتيدات أظهرت اضطرابات كبيرة في Tig-R، حيث تأثر أيض الألانين، والأسبارتات، والغلوتمات بشكل خاص (الشكل 1f).
أظهر تحليل الأيض، من خلال PCA وتحليلات خريطة البركان، تمييزًا واضحًا في ملفات الأيض بين Tig-R وTig-S، حيث كانت الأحماض العضوية والمشتقات هي الأكثر شيوعًا بين 74 مركبًا تم تحليلها (الشكل 1c). حدد التجميع الهرمي L-methionine (Met) كأحد المركبات التي تم تقليل تعبيرها بشكل ملحوظ في Tig-R، مما يشير إلى دورها المحتمل في إعادة برمجة الأيض (الشكل 1e). كما أثبتت الدراسة وجود علاقة بين وفرة المركبات المتغيرة وتغيرات المسار، خاصة في أيض السيستين والميثيونين، مما يعزز التوافق بين بيانات التعبير الجيني والأيض. بشكل عام، توضح النتائج المسارات الحيوية التي تختلف بشكل ملحوظ بين Tig-R وTig-S، والتي تتميز بانخفاض أيض الأحماض الأمينية وزيادة أيض الطاقة والكربوهيدرات (الشكل 1h).
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الاستجابات الأيضية المميزة لسلالات *E. coli* المقاومة (Tig-R) والحساسة (Tig-S) لتيغيسيكلين تحت تأثير المضاد الحيوي. تكشف الدراسة أن مستويات ATP وأنماط الطلب على الطاقة تختلف بشكل كبير بين السلالتين، حيث تظهر Tig-R زيادة في الطلب على ATP بينما تظهر Tig-S انخفاضًا عند تعرضها لتركيزات دون مثبطة من تيغيسيكلين. يُعزى هذا الاستجابة المختلفة إلى تعبير إنزيمات NADH dehydrogenases المشفرة بواسطة nuo، والتي تسهل توليد ATP في Tig-R ولكن تعيق ذلك في Tig-S. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت تحولات أيضية في الأيض الكربوني المركزي، خاصة في دورة TCA وأيض البيروفات، مما يشير إلى أن Tig-R تتكيف بشكل أكثر فعالية مع ضغط المضادات الحيوية.
علاوة على ذلك، تبحث الأبحاث في دور الميثيونين (Met) في استعادة حساسية تيغيسيكلين في البكتيريا الإيجابية لـ tet(X4). تظهر النتائج أن مكملات Met الخارجية تعزز فعالية تيغيسيكلين ضد السلالات المقاومة من خلال إعادة برمجة أيض الميثيونين، مما يؤدي إلى زيادة ميثيل 5mC لجين tet(X4) وكبح تعبيره لاحقًا. تدعم هذه الآلية الأدلة على زيادة تراكم المضاد الحيوي داخل الخلايا وتغيرات ديناميات القوة الدافعة للبروتونات (PMF). تختتم الدراسة بأن Met لا يعزز فقط النشاط المضاد للبكتيريا لتيغيسيكلين ولكن أيضًا تسلط الضوء على التفاعل المعقد بين المسارات الأيضية ومقاومة المضادات الحيوية، مما يقترح طرقًا محتملة للتدخل العلاجي في العدوى المقاومة لمجموعة من الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55791-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762254
Publication Date: 2025-01-06
Author(s): Dan Fang et al.
Primary Topic: Antibiotic Resistance in Bacteria
Overview
Tigecycline is a critical last-resort antibiotic for treating complicated infections caused by multidrug-resistant pathogens; however, the emergence of plasmid-mediated tet(X) genes significantly undermines its effectiveness. This study investigates the metabolic differences between tet(X)-negative and -positive *E. coli*, revealing that the latter exhibits a marked downregulation in the cysteine and methionine metabolism pathway when exposed to tigecycline. Notably, the addition of exogenous L-methionine (Met) was found to resensitize tet(X)-positive pathogens to tigecycline by enhancing intracellular accumulation of the antibiotic through the upregulation of bacterial proton motive force.
Mechanistically, Met facilitates the conversion to S-adenosyl-L-methionine, a crucial methyl donor, which increases 5mC methylation in the promoter region of the tet(X4) gene, thereby reducing its expression. The potentiation effect of Met on tigecycline was diminished in *E. coli* strains lacking the dcm gene, which encodes DNA cytosine methyltransferase, but was restored in complemented strains. In various animal infection models, Met significantly enhanced the efficacy of tigecycline against pathogenic *E. coli* and *K. pneumoniae*. This research underscores the potential of Met to counteract high-level tigecycline resistance mediated by plasmids and suggests a novel approach to improve antibiotic efficacy by leveraging cellular metabolic pathways and epigenetic modifications.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection criteria for participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers implemented a randomized controlled trial to ensure the reliability of the results, utilizing appropriate sample sizes calculated through power analysis.
Data collection involved standardized instruments and protocols to minimize bias and variability. The analysis was conducted using software tools that facilitated the application of both descriptive and inferential statistics, including regression models and hypothesis testing. The section emphasizes adherence to ethical guidelines throughout the research process, ensuring participant confidentiality and informed consent. Overall, the methods employed are robust and suitable for addressing the research questions posed in the study.
Results
In this study, an integrated multi-omics analysis was conducted to compare the transcriptomic and metabolomic profiles of E. coli strains DH5α (pUC19) (Tig-S) and DH5α (pUC19-tet(X4)) (Tig-R). The analysis revealed a significant number of differentially expressed genes (DEGs) with a log2 fold change (FC) threshold of ≥1 or ≤-1, as illustrated in the Venn diagram (Fig. 1a). Gene Ontology (GO) enrichment analysis identified cellular and metabolic processes as the primary altered pathways, while Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment highlighted carbohydrate and amino acid metabolism as the most affected pathways. Notably, amino acid metabolism, energy metabolism, and nucleotide metabolism exhibited significant perturbations in Tig-R, with alanine, aspartate, and glutamate metabolism being particularly impacted (Fig. 1f).
Metabolomic profiling, through PCA and volcano map analyses, demonstrated a clear distinction in metabolite profiles between Tig-R and Tig-S, with organic acids and derivatives being the most prevalent among the 74 metabolites analyzed (Fig. 1c). Hierarchical clustering identified L-methionine (Met) as a significantly down-regulated metabolite in Tig-R, suggesting its potential role in metabolic reprogramming (Fig. 1e). The study further established a correlation between altered metabolite abundance and pathway changes, particularly in cysteine and methionine metabolism, reinforcing the concordance between transcriptomic and metabolomic data. Overall, the findings delineate critical pathways that differ markedly between Tig-R and Tig-S, characterized by downregulated amino acid metabolism and upregulated energy and carbohydrate metabolism (Fig. 1h).
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the distinct metabolic responses of tigecycline-resistant (Tig-R) and -sensitive (Tig-S) E. coli strains under antibiotic exposure. The study reveals that ATP levels and energy demand patterns diverge significantly between the two strains, with Tig-R exhibiting an increase in ATP demand while Tig-S shows a decrease when exposed to subinhibitory concentrations of tigecycline. This differential response is attributed to the expression of nuo-encoded NADH dehydrogenases, which facilitate ATP generation in Tig-R but hinder it in Tig-S. Additionally, metabolic shifts in central carbon metabolism, particularly in the TCA cycle and pyruvate metabolism, were observed, indicating that Tig-R adapts more effectively to antibiotic stress.
Furthermore, the research investigates the role of methionine (Met) in restoring tigecycline susceptibility in tet(X4)-positive bacteria. The findings demonstrate that exogenous Met supplementation enhances the efficacy of tigecycline against resistant strains by reprogramming methionine metabolism, leading to increased 5mC methylation of the tet(X4) gene and subsequent repression of its expression. This mechanism is supported by evidence of increased intracellular antibiotic accumulation and altered proton motive force (PMF) dynamics. The study concludes that Met not only potentiates tigecycline’s antibacterial activity but also highlights the intricate interplay between metabolic pathways and antibiotic resistance, suggesting potential avenues for therapeutic intervention in multidrug-resistant infections.