Discovery and Characterization of Polymyxin-Resistance Genes PmrE and PmrF from Sediment Microbiome

Abstract

Polymyxin is a last-line antibiotic used to treat gram-negative pathogens. Thus, the discovery and biochemical characterization of the resistance genes against polymyxin is urgently needed for diagnosis, treatment, and novel antibiotic design. Herein, we report novel polymyxin resistance genes identified from sediment microbiome. Despite their low sequence identity against the known pmrE and pmrF, they show in vitro activities in UDP-glucose oxidation and L-Ara4N transfer to undecaprenyl phosphate, which occur as the part of lipid A modification that leads to polymyxin resistance. The expression of pmrE and pmrF also showed substantially high minimum inhibitory concentrations in the presence of vanadate ions, indicating that they constitute polymyxin resistomes.

현재 그람음성 세균에 대한 항생제의 필요성이 증대되고 있으며 폴리마이신은 그람음성 세균에 대한 항생제의 마지막 대응방안으로 여겨진다. 따라서 세균성 질병의 진단, 항생제 투여 및 신약 개발에 있어 폴리마이신 내성 유전자의 발견과 생화학적 성질의 분석이 시급한 과제로 떠올랐다. 본 연구에서는 해양미생물균주에서 기존에 알려지지 않았던 pmrE와 pmrF에 속하는 새로운 폴리마이신 내성 유전자를 찾아내었다. 새로운 유전자와 기존에 보고된 유전자들 사이의 서열의 유사도는 낮게 나타난다. 하지만 새로운 유전자에서 발현된 단백질이 폴리마이신 내성 기작 중 pmrE와 pmrF 유전자가 관여하는UDP-glucose 산화 반응 또는 L-Ara4N 전이 반응의in vitro 활성을 가짐을 측정하였다. pmrE와 pmrF 유전자의 발현시킨 뒤 바나데이트가 들어있는 조건 하에서 폴리마이신에 대한 최소억제농도의 변화를 측정하였고 최소억제농도가 크게 상승하여 새로운 유전자들이 폴리마이신 내성에 기여함을 확인하였다.