MIT研究称代谢基因突变可帮助细菌抵抗药物治疗

在对大肠杆菌的研究中,麻省理工学院(MIT)的研究人员发现,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。细菌有很多方法来逃避我们用来对付它们的抗生素。根据美国疾病控制与预防中心(CDC)的数据,每年,美国至少有 280 万人出现抗生素耐药性感染,超过 3.5 万人死于这种感染。

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大多数已知的赋予耐药性的突变发生在特定抗生素所针对的基因中。其他耐药性突变使细菌能够分解抗生素或通过其细胞膜将其抽出。

麻省理工学院的研究人员现在已经确定了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。研究人员说,这些发现阐明了抗生素如何工作的一个基本方面,并提出了开发药物的潜在新途径,可以增强现有抗生素的有效性。

“这项研究为我们提供了如何提高现有抗生素有效性的见解,因为它强调下游代谢发挥了重要作用。具体来说,我们的工作表明,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伤力。”麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和生物工程系的 Termeer 教授 James Collins 说。

Collins 是这项研究的资深作者,该论文发表在《科学》杂志上。论文的主要作者是 Allison Lopatkin,他是前麻省理工学院的博士后,现在是哥伦比亚大学巴纳德学院计算生物学的副教授。

这项新的研究建立在 Collins 实验室之前的工作基础上,表明当使用抗生素治疗时,许多细菌被迫加快新陈代谢,导致有毒副产品的积累。这些副产品会损害细胞并导致其死亡。

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然而,尽管过度活跃的新陈代谢在细胞死亡中起着作用,但科学家们还没有发现任何证据表明这种新陈代谢压力会导致帮助细菌逃避药物的突变。Collins 和 Lopatkin 开始研究是否能找到这种突变。

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。在这种类型的筛选中,被称为适应性进化,研究人员从实验室的大肠杆菌菌株开始,然后用逐渐增加剂量的特定抗生素处理细胞。然后,研究人员对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的限制,这种方法之前并没有产生参与代谢的基因的突变。

“之前的许多研究都是看了几个个体进化的克隆,或者他们测序的也许是几个我们期望看到突变的基因,因为它们与药物的作用方式有关,”Lopatkin 说。“这给我们提供了那些耐药基因的非常准确的图像,但它限制了我们对其他任何东西的看法。”

例如,抗生素环丙沙星靶向 DNA 回旋酶,这是一种参与 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,细胞经常会在 DNA 回旋酶的基因中产生突变,使它们能够逃避这种机制。

在他们的第一次适应性进化筛选中,麻省理工学院的团队分析了比以前研究的更多的大肠杆菌细胞和更多的基因。这使他们能够确定 24 个代谢基因的突变,包括与氨基酸代谢和碳循环有关的基因–这套化学反应使细胞从糖中提取能量,释放二氧化碳作为副产品。

为了挑出更多与代谢相关的突变,研究人员进行了第二次筛选,他们强迫细胞进入高度代谢状态。在这些研究中,大肠杆菌每天都要用一种高浓度的抗生素处理,温度逐渐升高。温度的变化逐渐促使细胞进入非常活跃的新陈代谢状态,与此同时,它们也逐渐进化出对药物的耐药性。

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,加上代谢基因的额外突变。这些基因除了碳循环基因外,还包括参与氨基酸合成的基因,尤其是谷氨酸。然后,他们将结果与从患者中分离出来的耐药细菌的基因组库进行比较,发现了许多相同的突变。

研究人员将其中一些突变设计成典型的大肠杆菌菌株,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胞时,需要更大的剂量才能杀死细菌。这表明,通过在药物处理后降低它们的新陈代谢,细菌可以防止有害副产物的堆积。

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。他们现在计划进一步研究这些代谢突变是如何帮助细菌逃避抗生素的,希望为新的辅助药物发现更具体的目标。

“我认为这些结果真的很令人兴奋,因为它释放了可以提高抗生素疗效的基因靶点,而这些靶点目前还没有被研究出来,”Lopatkin 说。“新的耐药机制真的很令人兴奋,因为它们给了许多新的研究途径来跟进,看看这能在多大程度上改善治疗临床菌株的疗效。”

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