MIT首次发现核心基因的突变可以导致抗生素耐药

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2021年3月24日消息,近日,Science以研究长文的形式发表了麻省理工学院James J. Collins的论文Clinically relevant mutations in core metabolic genes confer antibiotic resistance。文章通过改进体外大肠杆菌(Escherichia coli)耐药突变的筛选策略,首次发现一些代谢通路中核心基因的突变可以导致抗生素耐药,并且这些代谢基因的突变广泛存在于临床致病的大肠杆菌基因组中。针对这一研究,Science同期配发了瑞士苏黎世联邦理工学院Mattia Zampieri的评论文章The genetic underground of antibiotic resistance,认为Collins借助巧妙设计和新技术手段发现了代谢基因突变导致的耐药,而这可能是致病菌在体内发生耐药的重要原因。


MIT首次发现核心基因的突变可以导致抗生素耐药


细菌代谢对抗生素的响应,为寻找介导抗生素耐药的代谢基因突变提供了依据。除了抗生素对细菌生长的抑制,抗生素也通过影响代谢间接发挥杀伤效果。而这种普遍的或药物特异性的代谢改变可能对抗生素的杀伤作用至关重要。既然代谢介导了抗生素的杀伤作用,那么,代谢基因的突变就可以导致抗生素耐药。


通过分析7243份大肠杆菌的基因组,作者发现:核心代谢基因突变出现的频率与已知耐药基因突变出现的频率相当。但是,用传统的体外耐药进化试验很难筛选到出现在代谢基因上的突变。所以,作者假设:传统体外耐药进化试验的筛选条件与真实的体内致病菌出现耐药的条件是不一样的。比如,让细菌持续暴露在高浓度的抗生素中和用抗生素间断处理细菌,细菌所面对的筛选压力并不相同。而传统的体外耐药进化试验的筛选条件是生长依赖性的,很难鉴定到代谢依赖性的基因突变。


MIT首次发现核心基因的突变可以导致抗生素耐药


通过改变细菌代谢状态介导抗生素耐药


为了提高筛选到介导耐药的代谢基因突变的频率,作者改进了体外耐药进化筛选的方案。作者每天间隔22小时用抗生素处理1小时细菌,实现了细菌对抗生素的间歇暴露。作者从20℃起,每天把培养温度提高1℃,培养10天,以此调节细菌的代谢水平。通过这种改进,出现代谢基因突变的菌株逐渐占据优势,而这些代谢基因的突变与抗生素的耐药密切相关。并且,一些代谢基因突变在针对不同抗生素的耐药菌株中都有出现,这进一步说明代谢是介导抗生素耐药的重要因素。


在进行抗生素耐药基因突变的筛选时,作者不仅通过分离、克隆相应耐药菌株来鉴定突变,还对整个细菌种群进行了测序分析,进而发现了菌群更大的遗传异质性,也为寻找某些低频但重要的突变提供了可能。


为了研究筛选到的代谢基因突变是否是导致抗生素耐药的充要条件,利用基因工程或合成生物学的手段,作者将野生型、突变型的代谢基因导入相应染色质敲除的细菌菌株,评价它们的耐药性。在这些试验中,作者发现代谢突变确实提高了抗生素的最低抑制浓度,多数情况下,代谢突变可以提高不止一种抗生素的最低抑制浓度。这种“需要更高浓度的抗生素才能发挥抑制作用”的表型,也就是抗生素耐药(resistance)。而非一个类似的概念——耐受(tolerance),所谓“耐受”指的是相同浓度抗生素需要更长时间才能发挥抑制效果。


在作者鉴定到的代谢基因突变中,包括了代谢通路的核心基因,比如参与催化三羧酸循环的sucA基因(2-oxoglutarate dehydrogenase enzyme)。该基因的突变通过抑制抗生素诱导的三羧酸循环活性,降低了基础呼吸作用,避免了代谢毒性的发生,降低了抗生素的杀伤效果,最终导致抗生素耐药发生。分析临床致病菌,发现多种代谢基因的突变出现的频率与已知的耐药突变相当,证实了其临床相关性。以上发现提示:核心代谢通路的改变可能是抗生素耐药的一种通用机制,利用小分子干预细菌的有氧呼吸或无氧呼吸,可能可以打破抗生素耐药,提高抗生素的杀伤效果。


本文通讯作者James Collins不仅是麻省理工学院(MIT)生物工程系的教授,还是博德研究所(Broad Institute)和维斯研究所(Wyss Institute)的研究员,实验室有两大研究方向:1. 合成生物学;2. 抗生素和人工智能。合成生物学改造、编辑基因或细胞的先进技术,人工智能利用深度学习快速理解生物学过程的强大威力,在本文中可以管窥一斑,也非常值得我们在进行常规科研中进行借鉴。


研究背景


作为治疗细菌感染的重要手段,抗生素为维护人类健康做出了重要贡献。随着抗生素的广泛应用,耐药性问题越来越严重。耐药的经典作用机制集中在3个方面:作用靶点逃逸、药物灭活、药物转运。代谢在抗生素发挥杀伤作用过程中扮演了重要角色,但是,由代谢基因突变导致的抗生素耐药却鲜有报到。


文章来源: TourBright

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