Science论文解读！代谢状态变化竟让细菌产生抗生素耐药性

2021年2月19日讯/生物谷BIOON/---细菌有许多方法来逃避我们用来对付它们的抗生素。根据美国疾病控制中心（CDC）的统计，每年美国至少有280万人出现抗生素耐药性感染，超过35000人死于这类感染。

大多数已知的赋予耐药性的突变发生在特定抗生素所靶向的基因中。其他耐药性突变使得细菌能够分解抗生素或通过它们的细胞膜将抗生素泵出。

在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员如今鉴定出另一类有助于细菌产生耐药性的突变。在对大肠杆菌的研究中，他们发现，参与代谢的基因突变也能帮助细菌逃避几种不同抗生素的毒性作用。他们说，这些发现阐明了抗生素如何发挥作用的一个基本方面，并提出了开发可能增强现有抗生素疗效的药物的潜在新途径。相关研究结果发表在2021年2月19日的Science期刊上，论文标题为“Clinically relevant mutations in core metabolic genes confer antibiotic resistance”。

代谢状态变化导致抗生素耐药性，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.aba0862。

论文通讯作者、麻省理工学院医学工程与科学研究所的James Collins教授说，“这项研究为我们提供了如何提高现有抗生素有效性的新见解，这是因为它强调下游代谢发挥了重要作用。具体来说，我们的研究工作表明，如果能够提升被治疗病原体的代谢反应，就可以增强抗生素的杀灭效果。”

代谢控制

这项新的研究建立在Collins实验室之前研究的基础上，表明当使用抗生素治疗时，许多细菌被迫加快代谢，导致有毒副产物的积累。这些副产物会损害细菌细胞并导致它们死亡。

然而，尽管过度活跃的代谢在细菌细胞死亡中起着作用，但是科学家们还没有发现任何证据表明这种代谢压力会导致帮助细菌产生逃避抗生素药物的突变。Collins和论文第一作者、麻省理工学院前博士后研究员Allison Lopatkin开始研究是否能找到这样的突变。

首先，他们进行了一项类似于通常用于寻找抗生素耐药性突变的研究。在这种类型的称为适应性进化（adaptive evolution）的筛选中，这些研究人员从实验室的大肠杆菌菌株开始研究，然后用剂量逐渐增加的特定抗生素处理细菌细胞。接着，他们对细菌细胞的基因组进行测序，看看在治疗过程中产生了什么样的突变。由于可以测序的基因数量存在限制，这种方法之前并没有发现参与代谢的基因发生突变。

Lopatkin说，“之前的许多研究都着眼于一些进化的克隆，或者对一些我们预计会出现突变的基因进行测序，这是因为它们与抗生素药物的作用方式有关。这让我们可以准确地了解这些耐药性基因，但是这限制了我们对其他任何东西的看法。”

例如，抗生素环丙沙星（ciprofloxacin）靶向DNA回旋酶---一种参与DNA复制的酶，并迫使该酶破坏细胞的DNA。当用环丙沙星治疗时，细菌细胞经常会在编码DNA回旋酶的基因中产生突变，使得它们能够逃避这种药物的作用机制。

在他们的第一次适应性进化筛选中，这些研究人员分析了比以前研究的更多的大肠杆菌细胞和更多的基因。这使得他们能够鉴定包括与氨基酸代谢和碳循环有关的基因在内的24个代谢基因发生的突变。在碳循环中，一系列化学反应使得细胞从糖中提取能量，释放出二氧化碳作为副产物。

为了筛选出更多与代谢相关的突变，这些研究人员进行了第二次筛选，在这次筛选中，他们迫使细菌细胞进入高度代谢状态。在这些实验中，大肠杆菌每天都要用一种高浓度的抗生素处理，并且温度逐渐升高。温度的变化逐渐促使这些细菌细胞进入非常活跃的代谢状态，与此同时，它们也逐渐进化出对环丙沙星药物的耐药性。

这些研究人员随后对这些细菌的基因组进行了测序，发现了他们在第一次筛选中看到的一些与代谢相关的突变，以及代谢基因发生的其他突变。这些基因除了参与碳循环的基因外，还包括参与氨基酸合成的基因，尤其是谷氨酸。然后，他们将这些结果与从患者中分离出来的耐药性细菌的基因组库进行比较，发现了许多相同的突变。

新的靶标

随后，这些研究人员通过基因改造让典型的大肠杆菌菌株携带其中的一些突变，结果发现它们的细胞呼吸速率明显降低。当他们用抗生素处理这些细菌细胞时，需要更大的剂量才能杀死这些细菌。这表明，通过在药物处理后降低它们的代谢，这些细菌可以防止有害副产物的堆积。

这些研究人员说，这些发现提出了一种可能性，即迫使细菌进入高度代谢状态可以提高现有抗生素的有效性。他们如今计划进一步研究这些代谢突变如何帮助细菌逃避抗生素，并希望为开发新的辅助药物提供更具体的靶标。

Lopatkin说，“我认为这些结果真的很令人兴奋，这是因为它揭示了可能提高抗生素疗效的基因靶标，而这些靶标当前尚未被研究。新的耐药机制真的很令人兴奋，这是因为它们为后续研究提供了许多新的途径，并观察这能在多大程度上改善靶向临床菌株的疗效。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Allison J. Lopatkin et al. Clinically relevant mutations in core metabolic genes confer antibiotic resistance. Science, 2021, doi:10.1126/science.aba0862.

2.Mattia Zampieri. The genetic underground of antibiotic resistance. Science, 2021, doi:10.1126/science.abf7922.

3.Metabolic mutations help bacteria resist drug treatment
https://phys.org/news/2021-02-metabolic-mutations-bacteria-resist-drug.html