Abstract Daptomycin is a last-resort lipopeptide antibiotic that disrupts cell membrane (CM) and peptidoglycan homeostasis. Enterococcus faecalis has developed a sophisticated mechanism to avoid daptomycin killing by re-distributing CM anionic phospholipids away from the septum. The CM changes are orchestrated by a three-component regulatory system, designated LiaFSR, with a possible contribution of cardiolipin synthase (Cls). However, the mechanism by which LiaFSR controls the CM response and the role of Cls are unknown. Here, we show that cardiolipin synthase activity is essential for anionic phospholipid redistribution and daptomycin resistance since deletion of the two genes ( cls1 and cls2 ) encoding Cls abolished CM remodeling. We identified LiaY, a transmembrane protein regulated by LiaFSR, as an important mediator of CM remodeling required for re-distribution of anionic phospholipid microdomains via interactions with Cls1. Together, our insights provide a mechanistic framework on the enterococcal response to cell envelope antibiotics that could be exploited therapeutically.

ABSTRACT Daptomycin (DAP) is often used as a first line therapy to treat vancomycin-resistant Enterococcus faecium (VR Efm ) infections but emergence of DAP non-susceptibility threatens the effectiveness of this antibiotic. Moreover, current methods to determine DAP MICs have poor reproducibility and accuracy. In enterococci, DAP resistance is mediated by the LiaFSR cell membrane stress response system and deletion of liaR encoding the response regulator results in hypersusceptibility to DAP and antimicrobial peptides. The main genes regulated by LiaR are a cluster of three genes, designated liaXYZ . In Enterococcus faecalis , LiaX is surface exposed with a C-terminus that functions as a negative regulator of cell membrane remodeling and an N-terminal domain that is released to the extracellular medium where it binds DAP. Thus, in E. faecalis , LiaX functions as a sentinel molecule recognizing DAP and controlling the cell membrane response, but less is known about LiaX in E. faecium . Here, we found that liaX is essential in E. faecium ( Efm ) with an activated LiaFSR system. Unlike E. faecalis , Efm LiaX is not detected in the extracellular milieu and does not appear to alter phospholipid architecture. We further postulated that LiaX could be used as a surrogate marker for cell envelope activation and non-susceptibility to DAP. For this purpose, we developed and optimized a LiaX ELISA. We then assessed 86 clinical E. faecium BSI isolates for DAP MICs and used whole genome sequencing to assess for substitutions in LiaX. All DAP-R clinical strains of E. faecium exhibited elevated LiaX levels. Strikingly, 73% of DAP-S isolates by standard MIC determination had elevated LiaX ELISAs above the established cut-off. Phylogenetic analyses of predicted amino acid substitutions showed 12 different variants of LiaX without a specific association with DAP MIC or LiaX ELISA values. Our findings also suggest that many Efm isolates that test DAP susceptible by standard MIC determination are likely to have an activated cell stress response that may predispose to DAP failure. As LiaX appears to be essential for the cell envelope response to DAP, its detection could prove useful to improve the accuracy of susceptibility testing by anticipating therapeutic failure.

The prevalence of vancomycin-resistant Enterococcus faecium varies across geographical regions yet little is known about its population structure in Latin America. Here, we provide a complete genomic characterization of 55 representative Latin American VR Efm recovered from 1998-2015 in 5 countries. We found that VR Efm population in the region is structured into two main clinical clades without geographical clustering. To place our regional findings in context, we reconstructed the global population structure of VR Efm by including 285 genomes from 36 countries from 1946-2017. Our results differ from previous studies showing an early branching of animal related isolates and a further split of clinical isolates into two sub-clades, all within clade A. The overall phylogenomic structure was highly dependent on recombination (54% of the genome) and the split between clades A and B is estimated to have occurred more than 3585 years BP. Furthermore, while the branching of animal isolates and clinical clades was predicted to have occur ∼894 years BP, our molecular clock calculations suggest that the split within the clinical clade occurred around ∼371 years BP. By including isolates from Latin America, we present novel insights into the population structure of VR Efm and revisit the evolution of this pathogen.