Publication: Regulation of the 16S rRNA aminoglycoside resistance methyltransferases: a functional and mutational analysis of the armA 5’ UTR
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Publication Date
2018-11-12
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Antimicrobial resistance remains one of the most serious threats to modern medicine. As such, the selection and administration of antibiotics must be carefully considered, especially since the discovery of novel antimicrobial agents has reduced substantially. Agents that have previously been dismissed for unfavorable secondary activity are becoming increasingly valuable as the resistance prevalence towards the first choice antibiotic increases drastically. The aminoglycosides are a family of antibiotics that belong to this category. Shortly after their introduction to the market, problems with toxicity became apparent and they were no longer considered a drug of choice for physicians. However, increasingly worrisome resistance trends have forced physicians to reevaluate the application of aminoglycosides for life-threatening infections caused by Gram-negative pathogens. Among other resistance mechanisms, the 16S ribosomal RNA methyltransferases have emerged in Gram-negative pathogenic bacteria as an acquired resistance mechanism conferring high-level resistance to all clinically relevant aminoglycosides, even ones that have not yet been released to the market. Since their discovery in 2003, a total of 13 acquired methyltransferases have been identified including three variants. The rate at which these resistance determinants are spreading, combined with the broad resistance profile they confer to most clinically significant aminoglycosides, is jeopardizing the aminoglycosides as a viable last resort antibiotic. Initially, the objectives of the here presented doctoral thesis were to perform a comprehensive in silico analysis of the various families of 16S rRNA methyltransferases, including acquired resistance conferring-, intrinsic resistance conferring- and housekeeping- methyltransferases. The aim of this was to identify a putative origin of the acquired resistance conferring methyltransferases, to potentially discovering their ancestral regulatory mechanism. This study revealed that the acquired 16S methyltransferases most likely convergently evolved from a number of different RNA methyltransferases. Furthermore, this study also demonstrated a high degree of plasticity in the 5’ upstream regions between the various acquired resistance conferring methyltransferases, although the region immediately upstream of the coding region was relatively conserved throughout isolate of the same genes. This plasticity is most likely a result of the highly versatile mobile genetic elements in which these acquired resistance determinants are found...
La resistencia a antibióticos supone una de las principales amenazas para la medicina moderna. Esto, junto con la drástica disminución del descubrimiento de nuevas moléculas antibióticas, hace que la elección y administración de tratamientos antibióticos deba ser controlada escrupulosamente. Fármacos que anteriormente eran rechazados por sus efectos adversos están comenzando a utilizarse de nuevo debido a los elevados niveles de resistencia a los antibióticos de primera elección. Los aminoglucósidos son un grupo de antibióticos que pertenecen a esta categoría. Poco después de su introducción en el mercado fueron desechados como fármacos de elección debido a su elevada toxicidad. Sin embargo, el alarmante incremento de la resistencia a antibióticos ha obligado a los clínicos a reevaluar el uso de los aminoglucósidos para tratar infecciones graves producidas por patógenos Gram negativos. Entre otros mecanismos de resistencia, las metiltransferasas del ARNr 16S han emergido en bacterias patógenas Gram negativas como un mecanismo de resistencia adquirido, confiriendo elevados niveles de resistencia frente a todos los aminoglucósidos clínicamente relevantes, incluso también frente a nuevos aminoglucósidos que todavía no han salido al mercado. Desde su descubrimiento en el año 2003, se han identificado un total de 13 metiltransferasas, incluyendo tres variantes. La velocidad a la que estos determinantes de resistencia se están diseminando, junto con el amplio espectro de aminoglucósidos frente a los que confieren resistencia, está poniendo en peligro el empleo de este grupo de fármacos como antibióticos de último recurso. Inicialmente, los objetivos de esta Tesis Doctoral consistieron en realizar un estudio in silico en profundidad de las diferentes familias de metiltransferasas del ARNr 16S, que incluyen a las metiltransferasas de resistencia, tanto adquiridas como intrínsecas, y a las metiltransferasas endógenas. El objetivo de este análisis fue poder identificar el origen putativo de las metiltransferasas de resistencia adquiridas, con la finalidad de descubrir el origen de su mecanismo de regulación. Este estudio reveló que las metiltransferasas adquiridas del ARNr 16S probablemente evolucionaron de manera convergente a partir de las metilasas intrínsecas del ARN. Además, este análisis también mostró el alto grado de plasticidad en la región 5´ no codificante de las metiltransferasas adquiridas, aunque en distintos aislados de cada uno de los genes codificantes pudimos observar que la región inmediatamente corriente arriba de la secuencia codificante presentaba un alto grado de conservación. Esta plasticidad es debida, presumiblemente, a la versatilidad de los elementos genéticos móviles en los que estos determinantes de resistencia se localizan...
La resistencia a antibióticos supone una de las principales amenazas para la medicina moderna. Esto, junto con la drástica disminución del descubrimiento de nuevas moléculas antibióticas, hace que la elección y administración de tratamientos antibióticos deba ser controlada escrupulosamente. Fármacos que anteriormente eran rechazados por sus efectos adversos están comenzando a utilizarse de nuevo debido a los elevados niveles de resistencia a los antibióticos de primera elección. Los aminoglucósidos son un grupo de antibióticos que pertenecen a esta categoría. Poco después de su introducción en el mercado fueron desechados como fármacos de elección debido a su elevada toxicidad. Sin embargo, el alarmante incremento de la resistencia a antibióticos ha obligado a los clínicos a reevaluar el uso de los aminoglucósidos para tratar infecciones graves producidas por patógenos Gram negativos. Entre otros mecanismos de resistencia, las metiltransferasas del ARNr 16S han emergido en bacterias patógenas Gram negativas como un mecanismo de resistencia adquirido, confiriendo elevados niveles de resistencia frente a todos los aminoglucósidos clínicamente relevantes, incluso también frente a nuevos aminoglucósidos que todavía no han salido al mercado. Desde su descubrimiento en el año 2003, se han identificado un total de 13 metiltransferasas, incluyendo tres variantes. La velocidad a la que estos determinantes de resistencia se están diseminando, junto con el amplio espectro de aminoglucósidos frente a los que confieren resistencia, está poniendo en peligro el empleo de este grupo de fármacos como antibióticos de último recurso. Inicialmente, los objetivos de esta Tesis Doctoral consistieron en realizar un estudio in silico en profundidad de las diferentes familias de metiltransferasas del ARNr 16S, que incluyen a las metiltransferasas de resistencia, tanto adquiridas como intrínsecas, y a las metiltransferasas endógenas. El objetivo de este análisis fue poder identificar el origen putativo de las metiltransferasas de resistencia adquiridas, con la finalidad de descubrir el origen de su mecanismo de regulación. Este estudio reveló que las metiltransferasas adquiridas del ARNr 16S probablemente evolucionaron de manera convergente a partir de las metilasas intrínsecas del ARN. Además, este análisis también mostró el alto grado de plasticidad en la región 5´ no codificante de las metiltransferasas adquiridas, aunque en distintos aislados de cada uno de los genes codificantes pudimos observar que la región inmediatamente corriente arriba de la secuencia codificante presentaba un alto grado de conservación. Esta plasticidad es debida, presumiblemente, a la versatilidad de los elementos genéticos móviles en los que estos determinantes de resistencia se localizan...
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Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Veterinaria, Departamento de Sanidad Animal, leída el 27/09/2017