抗生素耐藥性是一個全球性的健康威脅。僅在2019年，全世界估計有130萬人的死亡歸因于抗生素耐藥性的細(xì)菌感染。來自美國貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員希望為這個日益嚴(yán)重的問題貢獻(xiàn)一個解決方案，他們一直在研究在分子水平上驅(qū)動抗生素耐藥性的過程。

在一項新的研究中，這些研究人員報告了促進(jìn)對最常用的抗生素之一---環(huán)丙沙星（ciprofloxacin）---耐藥性的關(guān)鍵和令人驚訝的第一步。這些發(fā)現(xiàn)指出了可以防止細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性并延長新舊抗生素的有效性的潛在策略。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年4月20日的Molecular Cell期刊上，論文標(biāo)題為“ppGpp and RNA-polymerase backtracking guide antibiotic-induced mutable gambler cells”。

(資料圖)

論文共同通訊作者、貝勒醫(yī)學(xué)院分子與人類遺傳學(xué)教授Susan M. Rosenberg博士說，“我們實驗室以前的研究工作已表明，當(dāng)細(xì)菌暴露在一個有壓力的環(huán)境中，如環(huán)丙沙星的存在，它們會啟動一系列反應(yīng)，試圖在抗生素的毒性作用下生存下來。我們發(fā)現(xiàn)環(huán)丙沙星引發(fā)了促進(jìn)突變的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。這種現(xiàn)象被稱為應(yīng)激誘導(dǎo)突變（stress-induced mutagenesis），產(chǎn)生了突變細(xì)菌，其中的一些突變細(xì)菌對環(huán)丙沙星產(chǎn)生耐藥性。耐環(huán)丙沙星的突變細(xì)菌不斷生長，建立了無法再用環(huán)丙沙星消除的感染?！?/p>

環(huán)丙沙星誘發(fā)了DNA分子的斷裂，這些斷裂在細(xì)菌內(nèi)部積累，并因此引發(fā)了DNA損傷反應(yīng)以修復(fù)斷裂的DNA。Rosenberg實驗室對應(yīng)激誘導(dǎo)突變所涉及的步驟的發(fā)現(xiàn)表明，兩種應(yīng)激反應(yīng)是必不可少的：普遍應(yīng)激反應(yīng)（general stress response）和DNA損傷反應(yīng)（DNA-damage response）。

Rosenberg實驗室和她的同事之前已揭示了導(dǎo)致突變作用增加的過程的一些下游步驟。在這項新的研究中，他們發(fā)現(xiàn)了抗生素導(dǎo)致DNA斷裂和細(xì)菌開啟DNA損傷反應(yīng)之間的最初幾步的分子機(jī)制。

論文第一作者、Rosenberg實驗室博士后助理Yin Zhai博士說，“我們吃驚地發(fā)現(xiàn)了一種參與調(diào)節(jié)DNA修復(fù)的意外分子。通常情況下，細(xì)胞通過產(chǎn)生介導(dǎo)所需功能的特定蛋白來調(diào)節(jié)它們的活動。但是在這種情況下，開啟DNA修復(fù)反應(yīng)的第一步并不是激活某些產(chǎn)生特定蛋白的基因?！?/p>

相反，第一步包括破壞已經(jīng)存在的一種蛋白---RNA聚合酶---的活性。RNA聚合酶是蛋白合成的關(guān)鍵。這種酶與DNA結(jié)合，將DNA編碼的指令轉(zhuǎn)錄成RNA序列，然后翻譯成蛋白。

Zhai說，“我們發(fā)現(xiàn)，RNA聚合酶在調(diào)節(jié)DNA修復(fù)方面也發(fā)揮著重要作用。一種叫做核苷酸ppGpp的小分子存在于暴露于應(yīng)激環(huán)境的細(xì)菌中，它通過兩個獨立的位點與RNA聚合酶結(jié)合，這些位點對于開啟修復(fù)反應(yīng)和普遍應(yīng)激反應(yīng)至關(guān)重要。干擾其中的一個位點會特異性地在RNA聚合酶占據(jù)的DNA序列上關(guān)閉DNA修復(fù)?！?/p>

圖片來自Molecular Cell, 2023, doi:10.1016/j.molcel.2023.03.003。

論文共同通訊作者、貝勒醫(yī)學(xué)院分子與人類遺傳學(xué)教授Christophe Herman博士說，“ppGpp與與DNA結(jié)合在一起的RNA聚合酶結(jié)合，告訴它停止并沿著DNA回溯以進(jìn)行修復(fù)?！盚erman實驗室之前發(fā)現(xiàn)了DNA修復(fù)-RNA聚合酶之間的聯(lián)系（Nature, 2017, doi:10.1038/nature23907）。

Rosenberg實驗室發(fā)現(xiàn)DNA修復(fù)是一種容易出錯的過程。隨著對斷裂的DNA鏈修復(fù)的進(jìn)展，發(fā)生的錯誤會改變原始的DNA序列，從而產(chǎn)生突變。這些突變中的一些會使細(xì)菌對環(huán)丙沙星產(chǎn)生耐藥性。Zhai說，“有趣的是，這些突變還誘發(fā)了細(xì)菌對其他兩種抗生素藥物的耐藥性?！?/p>

Rosenberg說，“我們對這些發(fā)現(xiàn)感到興奮。它們?yōu)樵O(shè)計干擾抗生素耐藥性產(chǎn)生的策略提供了新的機(jī)會，并幫助扭轉(zhuǎn)這一全球健康威脅的趨勢。另外，環(huán)丙沙星破壞細(xì)菌DNA的方式與抗癌藥物依托泊苷（etoposide）破壞腫瘤中人類DNA的方式相同。我們希望這還可能導(dǎo)致人們開發(fā)出對抗癌癥化療藥物耐藥性的新工具?！保ㄉ锕?Bioon.com）

參考資料：

Yin Zhai et al.ppGpp and RNA-polymerase backtracking guide antibiotic-induced mutable gambler cells. Molecular Cell, 2023, doi:10.1016/j.molcel.2023.03.003.

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