Neue Struktureinblicke in bakterielle Regulatoren eröffnen Wege für die antimikrobielle Entwicklung

Zwei separate Studien haben neue strukturelle Details bakterieller Transkriptionsregulatoren aufgedeckt und potenzielle Ziele für neuartige antimikrobielle Wirkstoffe identifiziert. Eine Studie entdeckte eine bisher unbekannte Ligandenbindungsstelle in Staphylococcus aureus CcpA, während die andere den Regulationsmechanismus von NrdR in Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa aufklärte.

Ribonukleotid-Reduktasen (RNR) sind fundamentale Enzyme, die Ribonukleotide in Desoxyribonukleotide (dNTPs) umwandeln, die Bausteine für die DNA-Synthese. In Bakterien wird die Kontrolle von RNR durch NrdR orchestriert, einen in Eukaryoten nicht vorkommenden Transkriptionsregulator, was ihn zu einem einzigartig selektiven Ziel für antimikrobielle Strategien macht. Ein multidisziplinäres internationales Team des Instituts für Bioingenieurwesen von Katalonien (IBEC) und des Instituts für Molekularbiologie von Barcelona (IBMB-CSIC) klärte die strukturelle und mechanistische Basis der NrdR-Funktion auf. NrdR erfasst zelluläre ATP- und dATP-Konzentrationen und durchläuft nukleotidabhängige strukturelle Umlagerungen, die es ihm ermöglichen, zwischen DNA-bindungsfähigen und repressiven Zuständen umzuschalten. Durch die Kristallisation des NrdR-Proteins aus E. coli und die Bestimmung seiner dreidimensionalen Konfiguration lieferten die Forscher eine molekulare Momentaufnahme dieses oligomeren Regulators. Komplementäre Techniken wie Mehrwinkellichtstreuung und Rasterkraftmikroskopie bestätigten seine dynamischen Assemblierungszustände. Funktionelle Tests mit Punktmutationen, die wichtige Protein-Protein-Schnittstellen stören, elektrophoretische Mobilitätsverschiebungsassays und In-vitro-Transkriptionsexperimente bestätigten, dass ATP- und dATP-Bindung kritische Auslöser für strukturelle Übergänge sind. Da NrdR ausschließlich in Bakterien vorkommt, bietet eine gezielte Beeinflussung eine selektive Strategie, um das Überleben von Bakterien zu stören, ohne off-target-Effekte auf Wirtszellen. Dies könnte zu neuartigen antimikrobiellen Wirkstoffen führen, die die Nukleotidhomöostase von Bakterien untergraben und häufige Resistenzmechanismen umgehen könnten.

Eduard Torrents, leitender Forscher der IBEC-Gruppe für bakterielle Infektionen: Antimikrobielle Therapien, erklärte: „Die gezielte Beeinflussung eines so zentralen regulatorischen Knotenpunkts könnte pathogene Bakterien schwächen oder dazu beitragen, ihre Empfindlichkeit gegenüber bestehenden Antibiotika wiederherzustellen. Dies stellt einen vielversprechenden Weg dar, um der zunehmenden antimikrobiellen Resistenz entgegenzuwirken.“

In einer separaten Studie wurde das Staphylococcus aureus-Katabolit-Kontrollprotein A (CcpA), ein globaler Transkriptionsfaktor, der zentral den Stoffwechsel und die Virulenz reguliert, als Wirkstoffziel untersucht. Frühere Bemühungen, Inhibitoren zu entwickeln, wurden durch seine geschlossene kristallographische Konformation und das Fehlen klar definierter Ligandenbindungstaschen behindert. Die Forscher wandten eine strukturgesteuerte Ausrichtungsstrategie unter Verwendung eines kuratierten Satzes kokristallisierter Transkriptionsfaktoren als strukturelle Vorlagen an. Diese Methodik identifizierte eine mutmaßliche Ligandenbindungsstelle in Sa-CcpA, die mit herkömmlichen Hohlraumerkennungsmethoden nicht vorhergesagt worden war. Eine phylogenetische Analyse zeigte, dass Reste innerhalb dieses vorhergesagten Hohlraums in einer Untergruppe pathogener Arten der Ordnung Bacillales konserviert sind, was auf eine evolutionär begrenzte und funktionell relevante Region hindeutet. Mehrere Molekulardynamiksimulationen und das Andocken zweier bekannter Sa-CcpA-Inhibitoren unterstützten zudem die Stabilität der Stelle. Dieser strukturgesteuerte Ausrichtungsansatz könnte die zukünftige rationale Inhibitordesign gegen Transkriptionsregulatoren unterstützen.