科学家们提出新理念 如何选择性地从内部杀灭抗生素耐药性细菌？

2019年6月25日 讯 /生物谷BIOON/ --感染性细菌中的抗生素耐药性是全球人群所面对的一个日益严重的问题，而这在很大程度上是由抗生素的过度使用所造成的，近日一项刊登在国际杂志Nature Biotechnology上的研究报告中，研究者Lopez-Igual等人通过研究发现了一种巧妙的方法来选择性地杀灭耐药性的霍乱弧菌（引发霍乱的罪魁祸首），研究者希望能够找到替代当前广谱抗生素且能有效抵御耐药性致病菌的新型手段。

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当前人们过度使用抗生素引起了一系列问题，其中一个问题就是抗生素耐药性致病菌的出现，另一个原因是，典型的广谱抗生素不仅会影响目标致病菌，而且还会影响机体正常的有益菌群（能够保护机体免受感染，也会影响人类机体的其它方面，包括体重、情绪、过敏等），而研究者Lopez-Igual等人提出的方法就能有效避免上述两个问题，研究者所开发的新方法基于细菌能够在细胞接触的过程中转移某些遗传物质（可动员的DNA），这一过程称之为“结合”（conjugation），因此研究人员就能利用这种现象，将编码毒素（CcdB蛋白）和其解毒剂（CcdA蛋白）从供体细菌转移到其“邻居”中，设计该系统就是为了使得毒素仅能在霍乱弧菌中产生，而且使得解毒剂在对抗生素敏感的细菌中产生，这时候只会对抗生素产生耐药性的霍乱弧菌就会被杀灭。

文章中，研究者利用了多个技巧来确定毒力只会在靶向细胞中发生，首先他们对编码毒素的基因进行工程化操作使其受到弧菌特异性蛋白（转录因子ToxR，其对霍乱弧菌引发疾病非常重要）的控制，这就意味着，如果编码毒素的基因通过结合作用转移到其它细菌中时就不会有毒素产生；其次，为了确保任何抗生素敏感的霍乱弧菌接种者不会死亡，研究者将编码解毒剂的基因包含在了可移动的基因集中，这种解毒剂在所有对抗生素敏感的细菌中被制成，但在耐药性细菌中却并不会产生，因为在后一种细菌中，解毒剂蛋白会被抑制蛋白SetR所关闭，SetR能被细菌中抗生素耐药性的遗传元件SXT所编码并调节。

然而，简单地拥有解毒剂蛋白或许并不足以抑制那些并不想被靶向作用的细菌被杀灭，CcdB毒素会通过促进遗传物质的广泛损伤来快速杀灭细菌，其能通过抑制促旋酶，将其锁定在DNA上来抑制酶类的表达，研究者提出了一种延迟机制，就好像一个定时炸弹一样，只会在一段时间后才会爆炸致命。

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研究者将编码特殊内含肽的遗传模块插入到了毒力基因中，修饰后毒力基因的表达会产生一种非功能性的毒素，而内含肽能通过剪接过程随时间被切除，从而产生功能性的毒素，其效果是能够延迟毒素的致命性作用，让接受该毒素的细菌有时间做出反应，毒素成熟所需要的时间能够允许抗生素敏感性细菌产生足够的解毒剂来存活，如果细菌对抗生素产生耐药性的话就不会产生解毒剂，并且在毒素成熟后细胞就会发生死亡。

研究者表示，这种方法并不限于单一类型的毒素蛋白，而且适用于其它毒素蛋白，包括HigB2（靶向作用mRNase）、RelE4（抑制蛋白质的合成）和ParE2（另一种促旋酶抑制剂），这些蛋白在内含肽介导的剪接作用后也具有一定的功能，随后研究者在水、斑马鱼幼虫和甲壳类幼虫这种霍乱弧菌天然宿主中测试了他们所开发的方法，他们发现，这种新方法在三类宿主中能够有效根除耐药性的霍乱弧菌，同时研究者使用的特殊调节子也只对霍乱弧菌有效，但该系统能够很容易地针对不同的细菌进行调整。

在其它研究中，研究者也使用感染细菌的病毒及结合方法来将运输核酸酶靶向作用耐药性的细菌，研究者Lopez-Igual所开发的系统的一个优点是，很少有细菌能够抵挡内部的威胁，每107个接受毒素的细菌中只有一个逃逸突变体，这种逃逸突变体的水平要比发现的低至少一百倍。尽管如此，这种逃逸率并不足以抑制细菌耐药性的产生，而需要考虑到一个因素就是目标细菌的典型种群规模，如果种群规模大约产生逃逸突变体的预测规模，就会存在耐药性的细菌，每克粪便中大约有108个霍乱弧菌，一旦爆发霍乱，水中的细菌水平会很高，在如此庞大的种群中，就可能会有成千上万个突变细胞对这种毒素产生耐药性，并且不会受到这种系统的影响，后期研究人员还需要深入研究来阐明这种耐药性产生背后的分子机制以及寻找特殊方法来优化该系统。

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一般来讲，结合方法的问题在于其是低效的，而且仅有少数细胞会接受基因，产生功能性的治疗需要两个过程，第一，使用多种毒素或运输系统来尝试限制逃逸突变的数量，第二，改善基因转移的效率。尽管研究者所开发的系统可能并不会立即解决对抗生素产生耐药性的霍乱弧菌的问题，但其却有可能对危重病人的替代治疗提供一些帮助。

具有霍乱特征的严重水样腹泻每年会导致大约10万人死亡，基于这样严峻的数据，为了当我们尝试杀灭霍乱弧菌时只针对那些产生耐药性的细菌呢？可能的好处是对霍乱弧菌的选择性压力较低，从而就能够抵御新型方法的杀灭作用，然而我们需要知道这种感染的确是耐药性的，或者我们可能同时需要使用抗生素来治疗感染，未来我们有望使用选择性的抗生素替代品来轻松修饰所有霍乱弧菌（不管其是否会产生抗生素耐药性）。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Rocio Lopez-Igual， Joaquin Bernal-Bayard， Alfonso Rodriguez-Paton， et al. Engineered toxin–intein antimicrobials can selectively target and kill antibiotic-resistant bacteria in mixed populations， Nature Biotechnology (2019)  doi：10.1038/s41587-019-0105-3

【2】Bikard D， Euler CW， Jiang W， et al. Exploiting CRISPR-Cas nucleases to produce sequence-specific antimicrobials. Nat Biotechnol. 2014 Nov；32(11)：1146-50. doi： 10.1038/nbt.3043

【3】Citorik RJ， Mimee M， Lu TK. Sequence-specific antimicrobials using efficiently delivered RNA-guided nucleases. Nat Biotechnol. 2014 Nov；32(11)：1141-5. doi： 10.1038/nbt.3011

【4】Hughes D， Andersson DI. Evolutionary Trajectories to Antibiotic Resistance. Annu Rev Microbiol. 2017 Sep 8；71：579-596. doi： 10.1146/annurev-micro-090816-093813

【5】Nelson EJ， Harris JB， Morris JG Jr，et al. Cholera transmission： the host， pathogen and bacteriophage dynamic. Nat Rev Microbiol. 2009 Oct；7(10)：693-702. doi： 10.1038/nrmicro2204.

【6】 Ali M， Nelson AR， Lopez AL， et al. Updated global burden of cholera in endemic countries. PLoS Negl Trop Dis. 2015 Jun 4；9(6)：e0003832. doi：10.1371/journal.pntd.0003832

【7】Sanna Koskiniemi，Petra Virtanen. Selective killing of antibiotic-resistant bacteria from within， Nature (2019) doi：10.1038/d41586-019-01852-w