从靶标到网络——抗菌药物作用机制与细菌耐药机制的研究进展
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84 中国感染与化疗杂志2015年1月20日第1 5卷第1期Chin J Infect Chemother,Jan.2015,Vol 1 5,No 1
综述·
从靶标到网络——抗菌药物作用机制与细菌耐药机制的研究进展
陈代杰
网络
关键词:细菌耐药机制;抗菌药物
靶标;
中图分类号:R966 文献标志码:A 文章编号:1009—7708(2()15)01 0084—07
From target to network:research updates on the mechanisms of antimicrobial
action and bacterial resistance
CHEN Daijie. (China State Institute oJ’Pharmaceutical Industry,Shanghai Institute of
Pharmaceutical Industry,State Key Laboratory 0/ New Drug&Pharmaceutical Process,Shanghai
20004(),China)
细菌耐药性是21世纪威胁人类生命健康的最
重要元凶之一。传统的细菌耐药机制主要有:①抗
菌药物的选择压力,使极少量的耐药菌可继续生长繁
殖;②抗菌药物可诱导高突变细菌(hypermutator)
发生某些基因的突变;③敏感菌通过接受外源带有
白表达水平的改变,以此来抵御环境压力。这是目
前引起细菌耐药性传播和泛滥的主要原因,也是临
床治疗失败的主要原因l_1,6 7j。
近年来基于蛋白组学的“细菌网络药理学”研
究,打开了一扇能够看到细菌接触抗菌药物后引起
内部变化的窗户。而更深层次的细菌网络耐药机制
耐药基因的质粒和转座子等载体的横向传递,成为
耐药菌1. ]。但这些无法完全解释当前临床耐药菌
研究需要借助基因组学、转录组学、蛋白组学等技术
来了解细胞内的“微观变化”,同时结合生物信息学
和分子生物学等方法,联系组学研究揭示的“微观变
的广泛传播以及大量细菌性感染患者治疗失败的原
因。近年来,对细菌接触亚致死剂量抗菌药物后细
菌内部“网络”变化的研究发现,细菌耐药性的产生
机制,除已发现的特异性“靶标”这一经典理论外,更
深入的还与细菌蛋白网络的变化有关:某些蛋白的
变化导致相应代谢途径的变化,“代谢网路”的变化
与细菌耐药性直接相关l 。
化”与细菌耐药性的“宏观特征”,从中发现造成耐药
性的“关键推手”。深入的机制研究将在新靶标的发
现、寻找新型抗菌药物以及新的生物标志物、为新的
临床治疗手段提供科学依据等方面有所助益,意义
重大 。]
亚致死剂量的抗菌药物不仅存在于药物治疗期
的细菌感染患者中,更存在于人类生活的环境中,如
被残留抗菌药物污染的水体、土壤和食物l5]。细菌
接触亚剂量抗菌药物后受到选择压力的作用会引起
1抗菌药物是如何杀灭细菌的:从靶标到网络
半个多世纪以来,人们对抗菌药物作用靶标的
研究取得了很大进步。目前,几乎所有临床应用的
自身基因随机突变,继而导致一系列基因转录和蛋
半合成抗生素都是基于靶标特异性而研发成功的,
而天然产物抗生素的发现并非基于靶标,它们往往
基金项目:201 3年国家自然科学基金面上项目(81 273413);201 4
年国家自然科学基金面上项目(81373310)。
作者单位:中国医药工业研究总院,上海 200040。
作者简介:陈代杰(1957一),男,博士,研究员,主要从事抗微生物
药物开发。
是基于一般的抗菌活性筛选所得。目前典型的抗菌
药物特异性作用靶标包括:细胞壁(J3内酰胺类和糖
肽类)、细胞膜(脂肽类)、DNA或RNA(喹诺酮类和
利福霉素类)、50S核糖体(大环内酯类、林可酰胺、
链阳性菌素类)、30S核糖体(氨基糖苷类和氯霉素 通信作者:陈代杰,E mail:hccbO01@163.COlSq。
中国感染与化疗杂志201 5年1月20日第15卷第1期Chin J Infect Chemother,Jan.201 5,Vol 15,No.1 85
类),以及叶酸合成(磺胺类)等 。
随着对抗菌药物作用机制和细菌耐药机制研究
的深入,人们认识到:一个细菌就是一个生命的整
体。一个生命体在遭遇环境变化时,除了具有特殊
的应对机制外(即靶标特异性),更多的是调动生命
体的整个蛋白网络来应对外界刺激和压力。这种蛋
白网络的变化或是导致细菌死亡,或是提高细菌抵
御抗菌药物压力继而导致细菌产生耐药性。这正是
这类抗菌药物后产生的8一氧代一脱氧鸟苷损伤难以
修复而致使DNA的断裂所致;而氨基糖苷类抗生
素可能还附加有8一氧代一脱氧鸟苷掺入到RNAs后,
引起翻译错误导致细菌死亡的因素 ,由此补充了
杀菌性抗菌药物触发的·0H的共同杀菌机制。杀
菌性抗菌药物能够诱导大肠埃希菌与凋亡有关的网
络变化,即在细菌的死亡进程中呈现出细胞凋亡的
特征:磷脂酰丝氨酸的暴露、染体凝聚、以及DNA
近年来愈来愈多的抗菌药物作用机制和细菌耐药机
制的研究由“靶标”转向到“网络”的原因所在 ]。
近年来,以Collins研究团队为代表的“网络性”
抗菌药物作用机制研究取得了突破性进展。其中一
个重要的发现是杀菌性抗菌药物如:DNA促旋酶抑
制剂喹诺酮类、30S核糖体抑制剂氨基糖苷类,以及
细胞壁合成抑制剂f3内酰胺类抗生素在与各自的作
用靶位结合后,触发三羧酸(TCA)循环中的NAD
(P)H的瞬间损耗、铁一硫簇(Fe—S cluster)的不稳定
以及刺激芬顿(Fenton)反应,由此产生大量的羟基
自由基(·OH),最终呈现一个共同的杀菌机
制——·OH对细菌DNA、蛋白以及脂类等的损伤
而导致细菌死亡l1。 。Grant等 研究表明:在液
体培养耻垢分枝杆菌和结核分枝杆菌时,提高氧饱
和度能够显著提高氧氟沙星和异烟肼诱导的·OH
的产生,进而有效地消除对抗菌药物耐受的持留菌
的生长。这种由细菌接触杀菌性抗菌药物后触发的
OH杀菌机制,也呈现在杀菌性抗真菌药物两性
霉素B、咪康唑类药物,以及环吡类药物对白念珠菌
和酿酒酵母的杀菌过程中[1 。同时,长期使用这类
杀菌性抗菌药物也能够诱导N-¥L动物细胞内·OH
含量增加,以及造成哺动物细胞线粒体的功能障
碍 。这一重要发现,为进一步研究开发具有增效
细菌接触杀菌性抗菌药物后产生·OH,提高杀菌
能力的辅助抗菌药物提供了理论基础和实践的可能
性 1 9 203。
但是,最近Liu等l_2 、Keren等_2 ,以及Ezraty
等 3个独立的研究小组相继在Science上发表了
他们不同的研究结果,对Collins等提出的杀菌性抗
菌药物基于产生活性氧自由基(ROS)的普遍杀菌机
制提出了质疑。这为学术界进一步深入研究抗菌药
物的作用机制注入了新的活力。除了以上结果外,
大量研究还表明p内酰胺类抗生素和喹诺酮类抗菌
药物引起细菌死亡的另一个重要原因是,细菌接触
断裂l_2 。Allison等l_2 研究表明,甘露糖等物质能
够通过细菌代谢产生质子驱动力,帮助氨基糖苷类
抗生素进入细菌胞内,从而有效地清除“持留菌”。
Wakamoto等l_2 的研究发现,致死剂量异烟肼孵育
下的耻垢分枝杆菌后期持留菌的消除与单个细胞中
随机表达过氧化物酶(KatG)相关,该酶能够催化
NADH与药物发生共价修饰,进而阻断细菌分支酸
的合成和导致死亡。
2细菌耐药性的发生、发展和传播:从靶标到网络
长期以来抗菌药物被广泛的用于人、各种牲畜
和水生动物的抗感染治疗,大量的残留抗菌药物随
着工业和医疗含抗菌药物残留废弃物,人与动物粪
便以及水产养殖水体流人环境,致使耐药菌的泛滥
和传播,最终导致耐药菌感染患者的治疗失败。这
种宏观间的因果联系早已被人们接受,但是这种联
系已经无法完全用早期的抗菌药物选择压力理
论_2 、抗菌药物作用靶标的改变致使亲和力降低理
论、以及细菌产生特异性的酶破坏抗菌药物等传统
的耐药机制来解释,也无法简单用传统的耐药基因
水平转移的机制来解释耐药菌的快速蔓延和传
播 。本世纪临床面临的一大挑战是如何征服日
趋严重的细菌耐药性:今天不采取行动,明天就无药
可用口…。而近年来学术界大量有关细菌耐药机制
的研究成果,无疑是人类征服细菌耐药性的强大
基石。
2.1亚致死剂量抗菌药物引起的可遗传细菌耐药
性:特异性靶标的突变
从遗传角度,基本上可以把细菌对抗菌药物的
耐药性分为可遗传和不可遗传2种。可遗传的耐药
菌包括组成型和诱导型,其耐药机制往往直接与抗
菌药物及其作用靶位有关,这些传统的细菌耐药机
制包括:①细菌细胞膜上孔蛋白的改变阻止药物
进入胞内;②外排泵蛋白对已经进入胞内药物的排
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出作用;③钝化(修饰或水解)酶对抗菌药物的灭活;
④抗菌药物作用靶标的改变阻止药物的结合;⑤改
变药物作用靶标的代谢途径等[2 。在高剂量抗菌
药物选择压力下,细菌因诱导突变对抗菌药物产生
耐药而从敏感菌体中选择出来;同样,细菌在接触
低剂量(亚致死剂量)的抗菌药物后,也会使部分敏
感菌发生随机的自发突变而成为耐药菌 。 。已
有大量研究表明,尽管已上市的抗菌药物对哺动
物没有“致癌、致畸和致突变”的作用,但8内酰胺
类、氨基糖苷类和喹诺酮类等杀菌性抗菌药物却都
能引起细菌产生耐药性突变[3 。氨苄西林、卡那霉
素和诺氟沙星能够通过诱导细菌产生·OH来提高
对多种结构类别的抗菌药物的耐受。其中氨苄西林
能够引起大肠埃希菌的促旋酶A和B基因(gryA
和gryB)或是acrAB启动子pacrAB基因的突变,
从而对诺氟沙星产生耐药;氨苄西林也能够引起核
蛋白RpsL的突变,从而对卡那霉素产生耐药 ]。
Nair等 的研究显示,8内酰胺类、氨基糖苷类和
喹诺酮类抗菌药物能够引起铜绿假单胞菌对利福霉
素耐受的突变频率。Toprak等 利用氯霉素、金
霉素和甲氧苄啶等抗菌药物压力连续培养大肠埃希
菌20 d后,其对抗菌药物的耐受性大幅提高。然后
对这些耐药性大幅提高的菌株进行全基因组测序,
结果发现,这些突变既有对药物的特异性,也有多药
耐药的突变发生。
愈来愈多的研究显示,即使极低剂量的抗菌药
物,也能够有效地富集高度耐药的细菌,即抗菌药物
可以作为诱变剂致使高突变细菌(hypermutator)接
触后发生某些基因的突变,造成对药物的耐受 ]。
这一发现可以部分解释细菌耐药性快速传播和扩散
的原因一细菌接触亚致死剂量抗菌药物后导致产
生耐药性突变。而细菌接触亚致死剂量抗菌药后引
起的蛋白网络变化,更是导致产生耐药性发展的重
要原因。
2.2亚致死剂量抗菌药物引起的不可遗传细菌耐
药性:蛋白网络变化的耐药机制
所谓不可遗传的耐药,即由“环境”引起(环境依
赖型)的对抗菌药物产生“非遗传”性的耐药菌,通常
被称之为“持留菌(persisters)”,即非传统意义上的
“抗性(resistance)”而是“持留性(persistence)”,但
无论是抗性还是持留性,其对抗菌药物都表现出一
定程度的耐受(tolerance),宏观上都表现为耐药。
持留菌是目前临床上细菌感染治疗失败的主要原
因E36 38 ̄。
2.2.1 SOS与细菌耐药性(持留性) 研究表明,
细菌为了适应不同压力环境会根据不同生存环境选
择性地表达或阻抑某些基因。由SOS介导的遗传
网络调节是导致细菌在抗菌药物压力下适应性生存
的主要策略。SOS反应作为一种可诱导的DNA修
复和损伤耐受体系,是细菌对DNA损伤的应激反
应。RecA阻遏蛋白和LexA诱导蛋白在调节SOS
中起主要作用。SOS系统至少编码4O个以上的蛋
白,用于DNA的保护、修复、复制、致突变以及代
谢 州。
杀菌性抗菌药物具有诱导产生·OH的共同杀
菌途径。·OH在破坏细菌DNA的同时,损伤的
DNA能够诱导SOS反应。SOS反应增强了细菌修
复损伤DNA的能力,弱化抗菌药物的影响,即产生
细菌耐药性l_1 “ ]。大肠埃希菌接触喹诺酮类抗菌
药物氧氟沙星后所出现的“持留菌”,依赖于细菌接
触抗菌药物后SOS网络系统的激活,此发现打破了
细菌接触抗菌药物后产生的持留菌是随机形成的观
点 。Cirz等 研究发现,喹诺酮类通过诱导金黄
葡萄球菌(金葡菌)的SOS系统,活化产生毒素蛋
白TisB,插入到细胞膜后引起阳离子的转运,从而
扰乱质子驱动力,最终导致敏感菌成为持留菌。但
过度表达毒素蛋白TisB,则会导致细菌的大量死
亡 。
SOS介导的细菌耐药性的另一个重要机制是
参与耐药基因的水平传递。Beaber等 研究发现,
氧氟沙星能够通过SOS对DNA损伤的响应,导致
减轻SetR蛋白对SXT(氯霉素、磺胺甲口恶唑、甲氧
苄啶和链霉素的耐药基因)的阻遏;促进SXT的转
移。Guerin等 的研究表明,甲氧苄啶、喹诺酮类
和J3内酰胺类抗菌药物能够通过诱导SOS,促进整
合酶的表达。而在革兰阴性菌中,编码大多数抗生
素(如J3内酰胺类和氨基糖苷类)可传递的耐药基因
通常被携带在1型整合子上,而这一耐药基因传递
整合至另一受体细菌中需要整合酶。Cambray
等 的研究表明,当SOS表达阻遏蛋白LexA受到
外界压力(如抗菌药物)去阻遏后,该蛋白通过与大
肠埃希菌样的LexA结合位点结合,从而调控整合
酶的表达,整合外源带有耐药基因的整合子到细菌
染体上,为进一步阐明SOS系统与耐药基因水平
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传递的精细机制打下了基础。Hocquetm 等研究发
现:在法国某医院的铜绿假单胞菌流行的原因,是由
素降解;然后触发毒素蛋白的翻译,进而抑制细胞的
生长。
于第1例感染该细菌的患者不合理地用了甲硝唑治
疗的缘故,因为细菌接触甲硝唑后促发了SOS的响
应,进而活化了整合酶基因(IntI1)的表达,最终导
致所有I3内酰胺酶的表达,并在整个医院内扩散。
2.2.2 (P)ppGpp与细菌耐药性 微生物能感知
2.2.3 营养代谢与细菌耐药性 营养饥饿能够引
起细菌对抗菌药物产生耐受,其主要机制是由于环
境缺乏营养而介导细菌生长停滞,从而导致抗菌药
物作用靶位的钝化l5 。Nguyen等 研究发现,在
营养缺乏环境下铜绿假单胞菌主动启动饥饿信号严
谨型响应机制(而不是由于饥饿而被动地使细菌停 环境胁迫信号,通过触发严谨反应(stringent
response)对生长速率进行调节,即当营养缺乏时,
ppGpp调节引起严谨反应,细胞停止了大部分代谢
活动,仅保留维持生存的必需代谢活动,RNA含量
下降,使细胞能在不利环境中生存。高度磷酸化的
鸟苷四/五磷酸(ppGpp/pppGpp)作为信号分子对
微生物生理具有广泛的调节作用,ppGpp介导的全
局性调控对逆境生存起到了重要作用 ̄48-493。
近年来,有关ppGpp调控细菌耐药性发生的机
制被逐步揭示。Pomares等 。 研究发现,RNA聚
合酶(RNAP)是多种抗生素的作用靶标,其中包括
多肽抗生素小菌素J25(microcin)。敏感型大肠埃
希菌在小菌素的环境中,进入静止生长期的细菌对
抗生素的敏感性显著下降,而ppGpp显著上升。其
主要作用机制推测有2个:①ppGpp占据了RNA
聚合酶附近的活性靶位,并与RNA聚合酶核心酶
的 亚基和 亚基发生交互作用,以及作为变构因
子阻止了抗生素与RNAP靶标的结合;②ppGpp作
为全局性调控因子,显著上调了特异性小菌素外排
蛋白Yojl,使细菌细胞内的抗生素浓度显著下降,
从而保护细菌免遭杀害。这类抗生素还有利福霉
素、myxopyronin、corallopyronin,以及ripostatin
等。Abranches等 研究发现,用莫匹罗星处理粪
肠球菌后,细菌细胞内ppGpp含量大幅上升,且这
种积累与细胞内热休克蛋白、碱休克蛋白,以及细菌
对万古霉素的耐受性成正相关性。Mwangi等 。 通
过对金葡菌的全基因组测序分析揭示了细菌对8内
酰胺类抗生素的耐药性与ppGpp合成酶(RelA)表
达上调密切相关。但是,在大肠埃希菌接触亚致死
剂量的卡那霉素后,与ppGpp合成酶(RelA)的关系
不大,而与另一个与ppGpp合成有关的水解酶基因
spoT关系较大_5 。最近,Maisonneuve等__5 研究
发现,持留菌的产生与细胞中无机多聚磷酸酯酶呈
正相关;这种多聚磷酸酯酶与Lon蛋白一起活化毒
素~抗毒素系统;导致大肠埃希菌K一12中11种抗毒
滞生长的过程),减缓细菌接触抗菌药物后产生的氧
化压力,进而减少了氧化压力对细菌菌膜破坏作用,
由此细菌能够在抗菌药物压力下生长繁殖。
Hoffman等 胡研究发现,囊性纤维化气道中的铜绿
假单胞菌在缺氧和富有硝酸盐的条件下对妥布霉素
和环丙沙星的耐受性提高。
2.2.4细菌耐药机制的多样性 细菌接触抗菌药
物后引起的抗性具有多样性反应。如Fuller等
研究发现,虽然金葡菌ATCC 9144不存在青霉素
酶和PBP2a,但仍然表现出对青霉素G较高的耐药
性;其主要机制是细菌接触J3内酰胺类抗生素后引
起的瞬时细胞壁的不完整性所介导,且随后细胞壁
恢复正常的细胞对抗菌药物的耐药性是可以遗传
的。对金葡菌耐受达托霉素的机制研究发现,耐药
菌的细胞膜发生一系列变化,如流动性降低、总赖氨
酰磷脂酰甘油(LPG)合成增加、LPG翻转至细胞
膜外双层增加,以及负责增加表面电荷的基因dlt
表达增加 。Perron等 ¨对多株亚胺培南耐药突
变株的分析发现,其细胞膜上抗菌药物特异性孑L蛋
白OprD的水平大幅降低,这与双组分蛋白CzcR—
CzcS发生变异有关。Aiassa等 。 用亚致死剂量的
氧氟沙星处理奇异变形杆菌突变株后,筛选得到4
株对氧氟沙星具有不同耐受程度的突变株。进一步
研究发现,通常造成细菌耐药性的促旋酶和拓扑异
构酶典型位点并没有发生突变,而细胞内三价铁的
还原抗氧化能力大幅提高。最后验证细菌对抗菌药
物的耐受性主要由抗氧化能力的提高所致。Begley
等l6 研究发现,单核细胞增生李斯特菌(Listeria
monocytogenes)中的谷氨酸脱羧酶的活性,与细菌
对多肽类抗生素链球菌素的耐受性相关。Lee
等L6 研究发现,敏感细菌体耐药性的发生可以通
过极个别耐药菌提供的“慈善”(charity work)获得。
在液体连续培养器中用逐步提高诺氟沙星浓度的方
法,“孵育”(incubation)敏感性大肠埃希菌10 d,然
88 中国感染与化疗杂志201 5年1月20日第15卷第1期Chin J Infect Chemother,Jan.201 5,Vol 1 5,No 1
后分离这些在高抗菌药物压力下生长的细菌,进行
抗性平皿筛选。结果发现只有极个别的细菌能够在
与液体培养过程中相同浓度的诺氟沙星下生长,进
步研究显示正是这些个别耐药菌产生的吲哚化合
物“分享”(share)给了敏感菌所致。因为经转录组
学分析和分子生物学验证,吲哚类物质能够诱导细
菌药物外排泵的表达,以及启动氧化压力的保护机
制。Gusarov等 和Shatalin等 研究分别发现,
很多病原菌产生的内源性N()和H:S能够通过减
缓由各种结构类别的杀菌性抗菌药物引起的氧化压
力,从而产生耐药性。
Jia等 的研究揭示了细菌产生氨基糖苷类钝
化酶的新机制:氨基糖苷类抗生素进入细菌胞内后,
与细菌核糖体开关(riboswitch)结合,从而引起一系
列变化:编码钝化酶的mRNA二级结构的改变一核
糖体结合序列的暴露一核糖体与mRNA结合一钝
化酶的翻译一将活性抗生素分子钝化一抗菌药物与
30S核糖体亲和力下降,最终导致细菌对抗菌药物
产生耐药性。本发现的最新成果是揭示了抗菌药物
小分子能够直接调控蛋白质(氨基糖苷钝化酶)的翻
译。Kannan等 副研究揭示了细菌之所以在接触极
一∞ 一=~兽 ~一㈥ 一一一_至 ~一一~~一T一
高致死剂量的红霉素和泰利霉素后,仍然具有合成
蛋白(多肽)能力的机制:大环内酯类抗生素结合于
细菌50S rRNA中的23S rRNA,只是部分阻塞新
生肽排出隧道(nascentpepti
因而细菌即使接触极高致死剂量的抗菌药物,细菌 一一 ~v 一de exi
M A ∞门 t tunnel,NPET), № ~
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在短时间内还是能够选择性地合成蛋白或多肽。这
些最新的重大研究成果,为认识抗菌药物的作用机
制和细菌耐药机制提供了新的思路。
㈨涮 … m
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越来越多的研究表明,细菌耐药性的发生、发
展、扩散和传播有着极其多样性的机制,这种由表及
里,由浅到深的基础研究成果,最终必将会给新型抗
菌药物的发现带来新的希望:特别是如何改变通过
“与细菌正面交锋的策略一抑制细菌生长所必需
的途径”,以避免“道高一尺,魔高一丈”的局面;转向
如何解除细菌耐药的“武器装备”的策略一发现像
J3内酰胺酶抑制剂等不影响细菌生长的抗菌增效
剂;同时,这种基础研究成果也必将会对临床诊断生
物标志物的发现、调节机体免疫系统协同“抗菌作
战”的新型辅助药物的发现、新型临床治疗方案的设
计,乃至新型细菌耐药性控制策略的制定带来新的
希望。
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收稿日期:2014-03—25 修回日期:2()14 07一()1 Pseudomonas aeruginosa within the CF airway[J].PI os
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