代谢突变有助于细菌抵抗药物治疗

大多数已知的导致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发现了另一类帮助细菌产生耐药性的突变。在一项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，并为开发能够提高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的重要作用。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特梅尔教授詹姆斯·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，她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的计算生物学助理教授。

代谢控制

这项新研究建立在此基础之上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，导致有毒副产品的积累。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。柯林斯和洛帕特金着手研究他们是否能找到这样的突变。

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。在这种被称为适应性进化的筛选中，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，这种方法以前没有对参与代谢的基因产生突变。

“在此之前的许多研究都着眼于几个个体进化的克隆，或者对我们预计会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，抗生素环丙沙星的目标是DNA旋回酶，一种参与DNA复制的酶，并迫使这种酶破坏细胞的DNA。当用环丙沙星治疗时，细胞通常会在DNA旋回酶基因中发生突变，使它们能够逃避这一机制。

在他们的第一个适应性进化筛选中，麻省理工学院的研究小组分析了比以前研究的更多的大肠杆菌细胞和更多的基因。这使他们能够识别24个代谢基因的突变，包括与氨基酸代谢和碳循环相关的基因——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品。

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，他们迫使细胞进入更高的代谢状态。在这些研究中，每天用高浓度的抗生素处理大肠杆菌，温度逐渐升高。温度的变化使细胞逐渐进入非常活跃的代谢状态，与此同时，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，发现了一些与第一次筛查中相同的代谢相关突变，以及代谢基因的其他突变。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，特别是谷氨酸的合成。然后，他们将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

然后，研究人员将这些突变中的一些改造到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。当他们用抗生素处理这些细胞时，需要更大剂量的抗生素才能杀死细菌。这表明，通过药物治疗后降低细菌的新陈代谢，细菌可以防止有害副产品的积累。

研究人员说，这些发现增加了一种可能性，即迫使细菌进入一种更高的代谢状态，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，希望能为新的辅助药物发现更具体的靶点。

“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，目前还没有进行研究，洛帕特金说。“新的耐药机制真的令人兴奋，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疗效”。

这项研究由国防威胁减少局、国立卫生研究院、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以及安妮塔和乔什·贝肯斯坦的礼物资助。