代谢遗传突变帮助细菌抵抗药物治疗

在对大肠杆菌的研究中，麻省理工学院的研究人员发现，与代谢有关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。

研究表明，强迫细菌燃烧更多的能量可能会使它们更容易受到抗生素的侵害。

细菌有许多逃避我们对它们使用的抗生素的方法。根据美国疾病控制中心的数据，在美国，每年至少有280万人发展为抗药性感染，并且有35,000多人死于这种感染。

已知赋予耐药性的大多数突变都发生在特定抗生素靶向的基因中。其他抗药性突变可使细菌分解抗生素或通过细胞膜将其泵出。

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抗药性的突变。在对大肠杆菌的研究中，他们发现与代谢有关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发挥作用的基本面，并为开发可以增强现有抗生素效力的药物提供了潜在的新途径。

“这项研究为我们提供了有关如何提高现有抗生素效力的见解，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，如果一种抗生素可以提高所治疗病原体的代谢反应，则可以提高抗生素的杀伤力。”麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）的医学工程与科学教授Termeer詹姆斯·柯林斯（James Collins）说。 ）和生物工程系。

柯林斯是这项研究的资深作者，该研究发表在《科学》杂志上。该论文的主要作者是前麻省理工学院的博士后Allison Lopatkin，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

这项新研究建立在柯林斯实验室以前的工作的基础上，该工作表明，当用抗生素治疗时，许多细菌被迫加速其新陈代谢，导致有毒副产物的积累。这些副产物会破坏细胞并导致其死亡。

然而，尽管过度活跃的新陈代谢在细胞死亡中发挥了作用，但科学家还没有发现任何证据表明这种新陈代谢压力会导致有助于细菌逃避药物的突变。柯林斯和洛帕特金开始着手看看是否可以找到这样的突变。

首先，他们进行了与通常用于寻找抗生素耐药性突变的研究相似的研究。在这种称为适应性进化的筛选中，研究人员首先从大肠杆菌的实验室菌株开始，然后逐渐增加特定抗生素的剂量来处理细胞。研究人员随后对细胞的基因组进行了测序，以观察在治疗过程中发生了哪些突变。由于可以测序的基因数量有限，这种方法以前并未产生涉及代谢的基因的突变。

洛帕特金说：“以前的许多研究都着眼于少数个体进化的克隆，或者它们对可能期望突变的几个基因进行测序，因为它们与药物的作用有关。”“这为我们提供了这些抗性基因的非常准确的图片，但它限制了我们对那里的其他任何事物的看法。”

例如，抗生素环丙沙星靶向DNA促旋酶（一种与DNA复制有关的酶），并迫使该酶破坏细胞的DNA。当用环丙沙星治疗时，细胞通常会在DNA促旋酶的基因中产生突变，从而使其能够逃避这种机制。

在他们的第一个适应性进化筛选中，麻省理工学院的团队分析了比以前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有关的基因，这是一组化学反应，可使细胞从糖中提取能量，释放出二氧化碳作为副产物。

为了找出更多与代谢相关的突变，研究人员进行了第二次筛选，迫使细胞进入新陈代谢状态。在这些研究中，大肠杆菌每天都在逐渐升高的温度下接受高浓度的抗生素处理。温度的变化逐渐使细胞进入非常活跃的代谢状态，与此同时，它们也逐渐对药物产生抗药性。

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与代谢相关的突变，以及代谢基因的其他突变。这些包括除碳循环基因外还涉及氨基酸合成的基因，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抗性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工程改造成典型的大肠杆菌菌株，发现它们的细胞呼吸速率显着降低。当他们用抗生素处理这些细胞时，需要更大剂量来杀死细菌。这表明，通过在药物治疗后降低新陈代谢，细菌可以防止有害副产物的积累。

研究人员说，这些发现增加了强迫细菌进入新陈代谢状态可能增加现有抗生素有效性的可能性。他们现在计划进一步研究这些代谢突变如何帮助细菌逃避抗生素，以期发现新辅助药物的更具体靶标。

Lopatkin说：“我认为这些结果确实令人兴奋，因为它释放了可以提高抗生素功效的基因靶标，目前还没有进行研究。”“新的抗药性机制确实令人兴奋，因为它们为后续研究提供了许多新的研究途径，并能看出这将在多大程度上改善临床菌株的治疗效果。”

参考：Allison J. Lopatkin，Sarah C. Bening，Abigail L. Manson，Jonathan M. Stokes，Michael A. Kohanski，Ahmed H. Badran，Ashlee M. Earl，Nicole J所著的“核心代谢基因的临床相关突变赋予了抗生素抗性” Cheney，Jason H. Yang和James J. Collins，2021年2月19日，《科学》。
10.1126 / science.aba0862

该研究由美国国防部减少威胁机构，美国国立卫生研究院，美国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广泛研究所以及安妮塔（Anita）和乔希·贝肯斯坦（Josh Bekenstein）的礼物资助。