Les β-lactamases 24

Le terme β-lactamase se réfère aux enzymes produites par les micro-organismes capables d’hydrolyser le noyau β-lactame. À ce jour, plus de 1300 β-lactamases ont été identifiées (Bush, 2013). Chez les bactéries à Gram négatif, les gènes codant pour ces enzymes sont soit d’origine chromosomique ou plasmidique.

1.6.4.1.1 _{Mode d’action}

Les β-lactamases sont des enzymes bactériennes qui agissent en hydrolysant la liaison amide du cycle β-lactame des antibiotiques de la classe des β-lactamines formant ainsi un acyl-enzyme, qui sera dégradé en acide inactif (Figure 6). Cette action est irréversible, ce qui entraîne donc la perte complète de l’activité antibactérienne de l’antibiotique. Les β- lactamases sont sécrétées dans l’espace périplasmique chez les bactéries à Gram négatif.

Cette localisation particulière permet aux enzymes d’agir directement sur les β- lactamines, avant que celles-ci n’aient le temps de rencontrer leurs cibles, les PLPs, situées dans la membrane cytoplasmique. Les β-lactamases ont une vitesse d’hydrolyse très efficace, soit de 1000 cycles β-lactame par seconde, comparativement aux PLPs ayant une capacité d’hydrolyse d’un cycle β-lactame par heure (Ghuysen, 1990; Massova & Mobashery, 1998; Suvorov et al, 2007).

Figure 6. Réaction d’inactivation d’une β-lactamine par l’action d’une β-lactamase. L’ouverture du cycle à quatre membres rompt la fonction amide imitant la chaîne peptidique (D-alanine-D-alanine) formant les liaisons dans le peptidoglycane.

Classification des β-lactamases

Les β-lactamases peuvent être divisées selon 2 classifications soit celle d’Ambler, basée sur la structure primaire des enzymes (Ambler, 1980) ou celle élaborée par Bush-Jacoby- Meideros qui repose sur les caractéristiques fonctionnelles des enzymes (Bush et al, 1995 ; Bush et Jacoby, 2010, http://www.lahey.org/Studies/). Les quatre classes moléculaires (A, B, C et D) possèdent leurs propres caractéristiques relativement à la séquence primaire de chaque β-lactamase. En contrepartie, les classes fonctionnelles particulières à une enzyme présente l’information utile au clinicien pour la prescription d’une antibiothérapie efficace selon leur profil de substrat et d’inhibiteurs.

La Figure 7 présente les quatre principales classes moléculaires de β-lactamases (A-D), qui sont divisées en groupes fonctionnels.

Figure 7. Schéma des classes moléculaires et fonctionnelles des principales β- lactamases. Adapté de Bush. (2013). Les classes A, C et D présentent une homologie structurale suffisante pour affirmer qu’ils descendent d'un ancêtre commun. Les MLBs hydrolysent le cycle β-lactame par un processus enzymatique qui est nettement différent de celui des β-lactamases à sérine active. Les MBLs sont donc regroupées séparément (classe B). Les groupes fonctionnels se distinguent par un profil de substrats spécifiques à l’enzym et possèdent un profil d’inhibition particulier. AC : Acide clavulanique Cb : Carbapénèmes; Cf : Céphalosporines de 1ère _{et 2}ème _{génération; EDTA :}

β-lactamases

Sérine

Site actif Métallo (Zn)

C A D B Classe moléculaire Principaux sous-groupes fonctionnels 1 2 2d 3 Groupe fonctionnelle 1 1e 2a 2b 2be 2br 2f 2de 2df 3a 3b Enzymes ou familles d’enzymes représentatives Profil d’inhibition -- AC EDTA -- -- -- + + + -- +/- +/- +/- -- -- -- -- -- -- -- -- -- + + AmpC CMY GC1 PC1 TEM-1_SHV-1 CTX-M BLSEs (TEM, SHV) CphA IMP, VIM, NDM OXA-23 OXA-48 OXA-11 OXA-15 KPC SME IRT SHV-10 Substrats connus Cf Cf Cse Pn PnCf Cse, MPn, Cf Pn Pn, Cf, Cb, Cse, M Pn, Cse, M Pn Cb Pn, Cf Cb, Cb

Ethylenediaminetetraacetic acid; Cse : Céphalosporines à spectre étendu; M : Monobactames; Pn : Pénicillines.

Les enzymes de la classe A, C (β-lactamases AmpC) et D (β-lactamases OXA) agissent par un mécanisme de sérine active. Les enzymes de la classe B, également appelées métallo-β-lactamases (MBLs), contiennent un ion zinc (Zn2+_{) dans leur site actif pour} catalyser l’hydrolyse du cycle β-lactame. Les trois classes de β-lactamases à sérine active ont évolué indépendamment des MBLs. Au niveau moléculaire, les MLBs sont un groupe hétérogène de protéines, classées en trois sous-groupes soit B1, B2 et B3, selon les similitudes de séquence et la spécificité des substrats (Galleni et al. 2001) (Garau et al. 2004). La caractéristique structurale particulière des sous-classes B1 et B3, est la présence de deux ions Zn2+ _{impliqués dans l’hydrolyse des β-lactamines, tandis que la} sous-classe B2 utilise un seul ion Zn2+ _{pour l'activité enzymatique maximale (Valladares} et al., 1997). La sous-classe B2 a un spectre étroit de substrat limité aux carbapénèmes (Valladares et al., 2000), tandis que les sous-classes B1 et B3 ont des spectres de substrat plus larges, où la sous-classe B3 montre une activité préférentielle pour les céphalosporines (Bush & Fisher, 2011; Thomson, 2010). La sous-classe B1 contient pour sa part les enzymes IMP, VIM et NDM, codés par des gènes localisés sur des éléments génétiques mobiles. Ces derniers sont majoritairement responsables de la diffusion des MBLs. Une différence structurale majeure de l’enzyme NDM-1 a nécessité la division de la sous-classe B1 en sous-groupes B1a et B1b. La β-lactamase NDM-1 est classée dans le sous-groupe B1b tandis que les β-lactamases IMP et VIM sont classées dans le sous- groupe B1a.

La classe moléculaire C est associée à deux sous-groupes fonctionnels, 1 et 1e, qui ont la capacité d’hydrolyser efficacement les céphalosporines de première et deuxième génération et sont peu affectés par les inhibiteurs de β-lactamases (Bush & Jacoby, 2010). Les classes moléculaires A et D regroupent la classe fonctionnelle 2, constitué de plusieurs sous-groupes qui englobent l'hydrolyse globale de toutes les β-lactamines. Parmi ces sous-groupes, les sous-groupes 2be et 2f sont composés d’enzymes responsables d’une importante diffusion de la résistance aux β-lactamines à l’échelle mondiale. Le sous-groupe 2be comprend les enzymes capables d’hydrolyser les

pénicillines et l’ensemble des céphalosporines (de la 1ère _{à la 4}ème _{génération). Elles sont} inhibées par l’acide clavulanique mais sont insensibles à l’EDTA. Ce profil de résistance correspond aux BLSE, majoritairement représentés par les enzymes de type CTX-M et certains de type SHV et TEM. Le sous-groupe 2f comprend les enzymes capables d’hydrolyser les pénicillines, l’ensemble des céphalosporines (de la 1ère _{à la 4}ème génération) et les carbapénèmes. Elles sont inhibées par l’acide clavulanique mais présentent des niveaux variables de sensibilité à l’EDTA. L’enzyme de ce sous-groupe d’une importance au niveau épidémiologique est KPC. La classe moléculaire D est composé de deux sous-groupes fonctionnels soit 2de et 2df. Le sous-groupe 2de comprend les enzymes capables d’hydrolyser les pénicillines et les céphalosporines à large spectre (3ème _{et 4}ème _{génération) tandis que les enzymes du sous-groupe 2df} hydrolysent les pénicillines et les carbapénèmes. Dans les deux cas, elles sont inhibées par l’acide clavulanique mais présentent des niveaux variables de sensibilité à l’EDTA. Bien que ces β-lactamases soient souvent sous-estimées, elles provoquent une résistance sérieuse chez les bactéries telles qu’Acinetobacter baumannii et Pseudomonas aeruginosa (Walther-Rasmussen & Høiby, 2006).

La classe moléculaire B est composé de 2 sous-groupes fonctionnels soit 3a et 3b. Le sous-groupe 3a est caractérisé par une résistance aux pénicillines, à l’ensemble des céphalosporines (de 1ère _{à la 4}ème _{génération) et aux carbapénèmes. Ce profil de résistance} correspond aux principales carbapénémases du type IMP, NDM et VIM. Les enzymes du sous-groupe 3b hydrolysent, pour leur part, les carbapénèmes. Dans les deux cas, les enzymes de ces sous-groupes sont insensibles à l’acide clavulanique mais sont inhibées par l’EDTA (Bush & Jacoby, 2010).

Relativement à l’importance épidémiologique de certaines enzymes à l’échelle mondiale de même que leur importance clinique, mon projet de maîtrise porte principalement sur les BLSE et les carbapénémases.