Many bacterial pathogens achieve resistance to defensin-like cationic antimicrobial peptides (CAMPs) by the multiple peptide resistance factor (MprF) protein. MprF plays a crucial role in Staphylococcus aureus virulence and it is involved in resistance to the CAMP-like antibiotic daptomycin. MprF is a large membrane protein that modifies the anionic phospholipid phosphatidylglycerol with l-lysine, thereby diminishing the bacterial affinity for CAMPs. Its widespread occurrence recommends MprF as a target for novel antimicrobials, although the mode of action of MprF has remained incompletely understood. We demonstrate that the hydrophilic C-terminal domain and six of the fourteen proposed trans-membrane segments of MprF are sufficient for full-level lysyl-phosphatidylglycerol (Lys-PG) production and that several conserved amino acid positions in MprF are indispensable for Lys-PG production. Notably, Lys-PG production did not lead to efficient CAMP resistance and most of the Lys-PG remained in the inner leaflet of the cytoplasmic membrane when the large N-terminal hydrophobic domain of MprF was absent, indicating a crucial role of this protein part. The N-terminal domain alone did not confer CAMP resistance or repulsion of the cationic test protein cytochrome c. However, when the N-terminal domain was coexpressed with the Lys-PG synthase domain either in one protein or as two separate proteins, full-level CAMP resistance was achieved. Moreover, only coexpression of the two domains led to efficient Lys-PG translocation to the outer leaflet of the membrane and to full-level cytochrome c repulsion, indicating that the N-terminal domain facilitates the flipping of Lys-PG. Thus, MprF represents a new class of lipid-biosynthetic enzymes with two separable functional domains that synthesize Lys-PG and facilitate Lys-PG translocation. Our study unravels crucial details on the molecular basis of an important bacterial immune evasion mechanism and it may help to employ MprF as a target for new anti-virulence drugs.

Flippase proteins exchanging phospholipids between the cytoplasmic membrane leaflets have been identified in Eukaryotes but remained largely unknown in Prokaryotes. Only MprF proteins that synthesize aminoacyl phospholipids in some bacteria have been found to contain a domain that translocates the produced lipids. We show here that this domain, which we named "prokaryotic phospholipid translocator" (PplT), is widespread in Bacteria and Archaea, encoded as a separate protein or fused to different types of enzymes. We also demonstrate that the Escherichia coli PplT protein interacts with many phospholipid-synthetic enzymes and deletion of pplT impaired bacterial growth, which supports its potential role in membrane lipid metabolism. PplT domain proteins may be general prokaryotic lipid flippases with critical roles in cellular homeostasis.

Xenografts of the hematopoietic system are extremely useful as disease models and for translational research. Zebrafish xenografts have been widely used to monitor blood cancer cell dissemination and homing due to the optical clarity of embryos and larvae, which allow unrestricted in vivo visualization of migratory events. To broaden the scope of xenotransplantation studies in zebrafish, we have developed a technique that transiently generates hematopoietic tissue chimeras by transplanting murine bone marrow cells into zebrafish blastulae. This procedure leads to mammalian cell integration into the fish developmental hematopoietic program. Monitoring zebrafish chimeras at different time points post fertilization using in vivo time-lapse and confocal imaging showed murine cell co-localization with developing primitive and definitive hematopoietic tissues, intravasation into fish circulation, and dynamic hematopoietic cell-vascular endothelial and hematopoietic cell-niche interactions. Immunohistochemistry assays performed in chimeric animals showed that, after engraftment, murine cells expressed antigens related to i) hematopoietic stem and progenitor cells, ii) active cell proliferation, and iii) myeloid cell lineages. Lastly, xenografted zebrafish larvae infected with Klebsiella pneumoniae showed murine immune cells trafficking to bacterial foci and interacting with bacterial cells. Overall, these results show that mammalian bone marrow cells xenografted in zebrafish integrate into the host hematopoietic system revealing highly conserved molecular mechanisms of hematopoiesis between zebrafish and mammals. In addition, this procedure introduces a useful and simple method that improves and broadens the scope of hematopoietic tissue xenotransplantation studies in zebrafish.

Abstract The pandemic of antibiotic resistance represents a major human health threat demanding new antimicrobial strategies. MprF is the synthase and flippase of the phospholipid lysyl-phosphatidylglycerol that increases virulence and resistance of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and other pathogens to cationic host defense peptides and antibiotics. With the aim to design MprF inhibitors that could sensitize MRSA to both, human antimicrobials and antibiotics and support the clearance of staphylococcal infections with minimal selection pressure, we developed MprF-targeting monoclonal antibodies, which bound and blocked the MprF flippase subunit. Antibody M-C7.1 targeted a specific loop in the flippase domain that proved to be exposed at both sides of the bacterial membrane, thereby enhancing the mechanistic understanding into bacterial lipid translocation. M-C7.1 rendered MRSA susceptible to host antimicrobial peptides and antibiotics such as daptomycin. Moreover, it impaired MRSA survival in human phagocytes, which recommends MprF inhibitors for new anti-MRSA approaches. MprF-directed monoclonal antibodies provide a proof of concept for development of precisely targeted anti-virulence approaches, which block bacterial antimicrobial resistance mechanisms.

Abstract In this era of rising antibiotic resistance, in contrast to our increasing understanding of mechanisms that cause resistance, our understanding of mechanisms that influence the propensity to evolve resistance remains limited. Here, we identified genetic factors that facilitate the evolution of resistance to carbapenems, the antibiotic of “last resort,” in Klebsiella pneumoniae , the major carbapenem resistant species. In clinical isolates, we found that high-level transposon insertional mutagenesis plays an important role in contributing to high-level resistance frequencies in several major and emerging carbapenem-resistant lineages. A broader spectrum of resistance-conferring mutations for select carbapenems such as ertapenem also enables higher resistance frequencies and importantly, creates stepping-stones to achieve high-level resistance to all carbapenems. These mutational mechanisms can contribute to the evolution of resistance, in conjunction with the loss of systems that restrict horizontal resistance gene uptake, such as the CRISPR-Cas system. Given the need for greater antibiotic stewardship, these findings argue that in addition to considering the current efficacy of an antibiotic for a clinical isolate in antibiotic selection, considerations of future efficacy are also important. The genetic background of a clinical isolate and the exact antibiotic identity can and should also be considered as it is a determinant of a strain’s propensity to become resistant. Together, these findings thus provide a molecular framework for understanding acquisition of carbapenem resistance in K. pneumoniae with important implications for diagnosing and treating this important class of pathogens.