Computational characterization of ligand specificity and promiscuity of Staphylococcus aureus nora efflux pump

Abstract

Staphylococcus aureus is a gram-positive bacterial pathogen which is highly adaptive to environmental conditions and causes various disorders. Excessive usage of antibiotics may result in development of antibiotic resistance in S. aureus. A major antibiotic resistance mechanism is increase in the activity of transmembrane multi-drug efflux pump proteins. NorA is the most studied efflux pump in S. aureus, which belongs to the Major Facilitator Superfamily (MFS). NorA has been shown to contribute to resistance against a variety of small molecules, such as hydrophilic fluoroquinolone antibiotics, antiseptics, biocides, and dyes such as ethidium bromide. Moreover, a variety of small molecule inhibitors of NorA have been found as well. A remarkable feature of these NorA inhibitors is their structural dissimilarity, which suggests promiscuous ligand recognition by NorA. Here, we aimed to characterize the structural aspects of ligand specificity and promiscuity of NorA by analyzing the binding behavior of NorA inhibitors into potential ligand binding sites within the internal cavity of the NorA protein structure. For this purpose, a list of known NorA inhibitors were docked into detected ligand binding pockets on an ensemble of modelled NorA structures generated via molecular dynamics simulations. A clustering analysis based on molecular similarity and binding fingerprints indicated that binding sites of chemically different ligands were consistent, in line with the promiscuous nature of NorA. On the other hand, residues 47F, 19I, 98R, 16F, 140F, 78F, 23I, 22V, 105A, and 44V were found to play a prominent role in ligand binding. Our findings may guide further research on discovery of novel NorA inhibitors.

Staphylococcus aureus, çevresel koşullara uyum kapasitesi yüksek ve çeşitli enfeksiyon hastalıklarına neden olan gram pozitif patojen bir bakteri türüdür. Bilinçsiz ve aşırı miktarlarda antibiyotik kullanımı S. aureus bakterisinde antibiyotik direncinin gelişmesine neden olabilmektedir. Antibiyotik direncinin kazanılmasında önemli rol oynayan mekanizmalardan biri, transmembran çoklu ilaç dışa atım pompası proteinlerinin aktivitesindeki artıştır. NorA, Majör Fasilitatör Süperfamilyası'na (MFS) mensup bir S. Aureus proteinidir ve bu tür pompa proteinleri arasında en çok çalışılan dışa atım pompasıdır. NorA'nın hidrofilik florokinolon antibiyotikler, antiseptikler, biyositler ve etidyum bromür gibi boyaları da içeren çeşitli küçük moleküllere karşı S. aureus'un direnç kazanmasına katkıda bulunduğu gösterilmiştir. Ayrıca, NorA'nın çeşitli küçük molekül inhibitörleri de bulunmuştur. Bu NorA inhibitörlerinin dikkate değer bir özelliği, oldukça farklı yapılara sahip olmalarına rağmen NorA tarafından seçimsiz olarak tanınmalarıdır. Bu tez çalışmasında, NorA inhibitörlerinin NorA protein yapısının iç kavitesindeki potansiyel ligand bağlanma bölgelerine bağlanma davranışını analiz ederek, NorA'nın özgül/seçimsiz ligand tanımasının yapısal yönlerini karakterize edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, öncelikle bilinen NorA inhibitörleri, moleküler dinamik simülasyonları yoluyla elde edilen NorA konformasyonlarında tespit edilen ligand bağlama ceplerine yerleştirilmiştir. Moleküler benzerliğe ve bağlanma bölgelerine dayanan bir kümeleme analizi, kimyasal olarak farklı ligandların bağlanma bölgelerinin büyük ölçüde benzerlik gösterdiğini ortaya koymuştur. Elde edilen sonuçlar, NorA yapısında bulunan 47F, 19I, 98R, 16F, 140F, 78F, 23I, 22V, 105A ve 44V amino asitlerinin ligand bağlanmasında önemli bir rol oynadığına da işaret etmektedir. Bu tez çalışmasında elde edilen bulgular, yeni NorA inhibitörlerinin keşfi üzerine yapılacak çalışmalara rehberlik edebilecektir.