Pompe à efflux

Une pompe d'efflux est un transporteur actif dans les cellules qui déplace les matières indésirables. Les pompes d'efflux sont un élément important des bactéries dans leur capacité à éliminer les antibiotiques. L'efflux pourrait également être le mouvement de métaux lourds, de polluants organiques, de composés produits par les plantes, de signaux de détection de quorum, de métabolites bactériens et de neurotransmetteurs . Tous les micro-organismes, à quelques exceptions près, ont des séquences d'ADN hautement conservées dans leur génome qui codent les pompes d'efflux. Les pompes d'efflux déplacent activement les substances hors d'un micro-organisme, dans un processus connu sous le nom d' efflux actif, qui est une partie vitale du métabolisme xénobiotique . Ce mécanisme d'efflux actif est responsable de divers types de résistance aux agents pathogènes bactériens au sein des espèces bactériennes - le plus préoccupant étant la résistance aux antibiotiques, car les micro-organismes peuvent avoir des pompes d'efflux adaptées pour détourner les toxines du cytoplasme et les introduire dans les milieux extracellulaires.

Les systèmes d'efflux fonctionnent via un mécanisme dépendant de l'énergie ( transport actif ) pour pomper les substances toxiques indésirables à travers des pompes d'efflux spécifiques. Certains systèmes d'efflux sont spécifiques à un médicament, tandis que d'autres peuvent accueillir plusieurs médicaments avec de petits transporteurs multirésistants (SMR).

Les pompes à efflux sont des transporteurs protéiques localisés dans la membrane cytoplasmique de tous les types de cellules. Ce sont des transporteurs actifs, ce qui signifie qu'ils nécessitent une source d'énergie chimique pour remplir leur fonction. Certains sont des transporteurs actifs primaires utilisant l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate comme source d'énergie, tandis que d'autres sont des transporteurs actifs secondaires ( uniporteurs , symporteurs ou antiporteurs ) dans lesquels le transport est couplé à une différence de potentiel électrochimique créée par le pompage d'ions hydrogène ou sodium dans la cellule.

Les pompes d'efflux bactériennes sont classées en cinq grandes superfamilles, en fonction de leur séquence d'acides aminés et de la source d'énergie utilisée pour exporter leurs substrats :

1. La superfamille des facilitateurs majeurs (MFS)
2. Les transporteurs ABC
3. La petite famille de résistance multidrogue (SMR)
4. La superfamille de résistance-nodulation-division cellulaire (RND)
5. La famille de protéines d'extrusion multi-antimicrobiennes (MATE).

Parmi ceux-ci, seule la superfamille ABC est constituée de transporteurs primaires, les autres étant des transporteurs secondaires utilisant un gradient de protons ou de sodium comme source d'énergie. Alors que la famille MFS domine chez les bactéries Gram positives , on pensait autrefois que la famille RND était propre aux bactéries Gram négatives. On les a depuis retrouvés dans tous les principaux règnes .

Les pompes d'efflux sont généralement constituées d'une protéine d'efflux de la membrane externe , d'une protéine périplasmique moyenne, d'une protéine de la membrane interne et d'un canal transmembranaire. Le canal transmembranaire est situé dans la membrane externe de la cellule. Le canal est également lié à deux autres protéines : une protéine de la membrane périplasmique et un transporteur de membrane intégral. La protéine de la membrane périplasmique et la protéine de la membrane interne du système sont couplées pour contrôler l'ouverture et la fermeture du canal (canal). Lorsqu'une toxine se lie à cette protéine de la membrane interne, les protéines de la membrane interne donnent lieu à une cascade biochimique qui transmet des signaux à la protéine de la membrane périplasmique et à la protéine de la membrane externe pour ouvrir le canal et déplacer la toxine hors de la cellule. Ce mécanisme utilise une interaction protéine-protéine dépendante de l'énergie qui est générée par le transfert de la toxine pour un ion H+ par le transporteur de la membrane interne. in vitro et in vivo entièrement assemblées de la pompe AcrAB-TolC ont été résolues par cryoEM et cryoET.

Bien que les antibiotiques soient les substrats les plus importants cliniquement des systèmes d'efflux, il est probable que la plupart des pompes d'efflux aient d'autres fonctions physiologiques naturelles. En voici quelques exemples :

• Le système d'efflux AcrAB d'E. coli , qui a pour rôle physiologique de pomper les acides biliaires et les acides gras pour réduire leur toxicité.
• La pompe Ptr de la famille MFS chez Streptomyces pristinaespiralis semble être une pompe d'auto-immunité pour cet organisme lorsqu'elle active la production de pristinamycines I et II .
• On soupçonne que le système AcrAB–TolC chez E. coli joue un rôle dans le transport des composants des canaux calciques dans la membrane d'E. coli .
• Le système MtrCDE joue un rôle protecteur en offrant une résistance aux lipides fécaux dans les isolats rectaux de Neisseria gonorrhoeae .
• Le système d'efflux AcrAB d' Erwinia amylovora est important pour la virulence de cet organisme , la colonisation des plantes (hôtes) et la résistance aux toxines végétales.
• Le composant MexXY du système d'efflux multimédicamenteux MexXY-OprM de P. aeruginosa est inductible par des antibiotiques qui ciblent les ribosomes via le produit du gène PA5471.
• Il a également été démontré que les pompes d'efflux jouent un rôle dans la formation du biofilm . Cependant, les substrats de ces pompes et la question de savoir si les changements dans leur activité d'efflux affectent directement ou indirectement la formation du biofilm restent à déterminer.

La capacité des systèmes d'efflux à reconnaître un grand nombre de composés autres que leurs substrats naturels est probablement due au fait que la reconnaissance du substrat est basée sur des propriétés physicochimiques , telles que l'hydrophobicité , l'aromaticité et le caractère ionisable plutôt que sur des propriétés chimiques définies, comme dans la reconnaissance classique enzyme - substrat ou ligand - récepteur . Comme la plupart des antibiotiques sont des molécules amphiphiles - possédant à la fois des caractères hydrophiles et hydrophobes - ils sont facilement reconnus par de nombreuses pompes d'efflux.

L’impact des mécanismes d’efflux sur la résistance aux antimicrobiens est important ; cela est généralement attribué aux éléments suivants :

• Les éléments génétiques codant les pompes d'efflux peuvent être codés sur des chromosomes et/ou des plasmides , contribuant ainsi à la fois à la résistance intrinsèque (naturelle) et acquise respectivement. En tant que mécanisme intrinsèque de résistance, les gènes des pompes d'efflux peuvent survivre à un environnement hostile (par exemple en présence d'antibiotiques) ce qui permet la sélection de mutants qui surexpriment ces gènes. Le fait d'être situés sur des éléments génétiques transportables comme des plasmides ou des transposons est également avantageux pour les micro-organismes car cela permet la propagation facile des gènes d'efflux entre des espèces distantes.
• Les antibiotiques peuvent agir comme inducteurs et régulateurs de l’ expression de certaines pompes d’efflux.
• L’expression de plusieurs pompes d’efflux dans une espèce bactérienne donnée peut conduire à un large spectre de résistance si l’on considère les substrats partagés de certaines pompes d’efflux multi-médicaments, où une pompe d’efflux peut conférer une résistance à une large gamme d’antimicrobiens.

Dans les cellules eucaryotes, l'existence de pompes à efflux est connue depuis la découverte de la P-glycoprotéine en 1976 par Juliano et Ling . Les pompes à efflux sont l'une des principales causes de résistance aux médicaments anticancéreux dans les cellules eucaryotes. Elles comprennent les transporteurs de monocarboxylate (MCT), les protéines de résistance multiple aux médicaments (MDR) - également appelées P-glycoprotéine, les protéines associées à la résistance multiple aux médicaments (MRP), les transporteurs de peptides (PEPT) et les transporteurs de phosphate Na+ (NPT). Ces transporteurs sont répartis le long de portions particulières du tubule proximal rénal, de l'intestin, du foie, de la barrière hémato-encéphalique et d'autres portions du cerveau.

Plusieurs essais sont actuellement en cours pour développer des médicaments qui peuvent être co-administrés avec des antibiotiques pour agir comme inhibiteurs de l'extrusion des antibiotiques par efflux. Jusqu'à présent, aucun inhibiteur d'efflux n'a été approuvé pour une utilisation thérapeutique, mais certains sont utilisés pour déterminer la prévalence des pompes d'efflux dans les isolats cliniques et dans la recherche en biologie cellulaire . Le vérapamil , par exemple, est utilisé pour bloquer l'efflux médié par la P-glycoprotéine des fluorophores de liaison à l'ADN , facilitant ainsi le tri des cellules fluorescentes pour le contenu en ADN. Il a été démontré que divers produits naturels inhibent les pompes d'efflux bactériennes, notamment les caroténoïdes capsanthine et capsorubine , les flavonoïdes roténone et chrysine , et l'alcaloïde lysergol . Certaines nanoparticules , par exemple l'oxyde de zinc , inhibent également les pompes d'efflux bactériennes.