代谢突变帮助细菌抵抗药物治疗

大多数已知的产生耐药性的突变发生在特定抗生素靶向的基因中。其他耐药性突变允许细菌分解抗生素或通过细胞膜将抗生素排出体外。

麻省理工学院的研究人员现在已经确定了另一类帮助细菌产生耐药性的突变。在对大肠杆菌的研究中，他们发现参与新陈代谢的基因突变也可以帮助细菌逃避几种不同抗生素的毒性作用。研究人员说，这些发现揭示了抗生素如何起作用的一个基本方面，并为开发可以增强现有抗生素有效性的药物提供了潜在的新途径。

“这项研究让我们了解了如何提高现有抗生素的有效性，因为它强调了下游代谢起着重要作用。具体来说，我们的工作表明，如果能提高被治疗病原体的代谢反应，抗生素的杀伤效果就能得到增强。”麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)和生物工程系的医学工程与科学教授詹姆斯·柯林斯说。

柯林斯是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《科学》杂志上。这篇论文的主要作者是Allison Lopatkin，他曾是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助理教授。

代谢控制

这项新研究建立在以前的工作柯林斯实验室的研究表明，当使用抗生素治疗时，许多细菌被迫加快新陈代谢，导致有毒副产物的积累。这些副产品会破坏细胞，导致细胞死亡。

然而，尽管过度活跃的新陈代谢在细胞死亡中发挥了作用，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逃避药物的突变。柯林斯和洛帕特金开始研究他们是否能找到这样的突变。

首先，他们进行了一项研究，类似于通常用于寻找抗生素耐药性突变的研究。在这种被称为适应性进化的筛选中，研究人员从大肠杆菌的实验室菌株开始，然后用逐渐增加剂量的特定抗生素治疗这些细胞。然后，研究人员对这些细胞的基因组进行测序，看看在治疗过程中出现了什么样的突变。由于可以测序的基因数量有限，这种方法以前没有产生与代谢有关的基因突变。

“在此之前的许多研究都着眼于一些个体进化的克隆，或者他们对我们期望看到突变的几个基因进行测序，因为它们与药物的作用有关。”Lopatkin说。“这让我们对这些抗性基因有了一个非常准确的了解，但它限制了我们对其他任何东西的看法”。

例如，抗生素环丙沙星针对DNA回转酶，一种参与DNA复制的酶，并迫使酶破坏细胞的DNA。当使用环丙沙星治疗时，细胞通常会在DNA旋切酶基因中发生突变，从而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，麻省理工学院的研究小组分析了比以前研究过的更多的大肠杆菌细胞和更多的基因。这使他们能够识别出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——碳循环是一组化学反应，允许细胞从糖中提取能量，释放二氧化碳作为副产物。

为了梳理出更多与代谢相关的突变，研究人员进行了第二次筛选，他们迫使细胞进入高度代谢状态。在这些研究中，每天在逐渐升高的温度下用高浓度抗生素处理大肠杆菌。温度的变化逐渐驱使细胞进入非常活跃的代谢状态，同时，它们也逐渐进化出对药物的耐药性。

然后，研究人员对这些细菌的基因组进行了测序，发现了一些与他们在第一次筛选中看到的相同的代谢相关突变，以及代谢基因的额外突变。除了碳循环基因外，这些基因还包括参与氨基酸合成的基因，尤其是谷氨酸。然后，他们将他们的结果与从患者身上分离出的耐药细菌基因组库进行了比较，发现了许多相同的突变。

新目标

研究人员随后将其中一些突变基因植入典型的大肠杆菌菌株中，发现它们的细胞呼吸速率显著降低。当他们用抗生素治疗这些细胞时，杀死细菌所需的剂量要大得多。这表明，通过在药物治疗后降低它们的新陈代谢，细菌可以防止有害副产品的积累。

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能会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，希望能发现新的辅助药物的更具体的靶点。

“我认为这些结果非常令人兴奋，因为它释放了可以提高抗生素疗效的基因靶点，目前还没有得到研究，洛帕特金说。“新的耐药机制确实令人兴奋，因为它们提供了许多新的研究途径来跟进，并看看这将在多大程度上提高治疗临床菌株的功效”。

这项研究由国防威胁减少局、国家卫生研究院、国家科学基金会研究生研究奖学金计划、麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所资助，以及安妮塔和乔希·贝肯斯坦的礼物。