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生命科学学院王忆平课题组揭示铜绿假单胞菌通过激发“呕吐”产生多重耐药的新机制
日期: 2016-10-16  信息来源: 生命科学学院

自从1928年英国的弗莱明发明了青霉素以来,抗生素的使用将人们的寿命平均延长了24岁。然而,随着新抗生素的发现越来越难、越来越少,以及细菌对不同抗生素的广谱耐药性越来越强(其耐药机制之一是通过相似于人类的 “呕吐”行为,即细菌通过非特异性的外排泵对不同化合物的不断外排,导致细胞内很难达到使其致死的药物浓度,达到细菌的多重耐药性;而一般抗生素的给药剂量也是有限的,否则对人体本身也会产生副作用),耐药细菌的感染已经演变成为当前人类面对的强大威胁之一。因此,揭示病原菌的外排泵表达调控机制具有重要意义。

铜绿假单胞菌之所以被列为人类三大条件性致病菌之一,它的一个重要临床特性就是很容易产生多重耐药,是一种非常难以消除的病原微生物。2013年,美国疾控中心(US CDC)把多重耐药铜绿假单胞菌列为10大耐药威胁(drug-resistant threats)。铜绿假单胞菌基因组上有12种编码RND (Resistance-Nodulation-Division)家族多药外排泵(multidrug efflux pump)的操纵子,铜绿假单胞菌通过调控这些操纵子的表达,使其拥有广谱的耐药性。在这12种多药外排泵中,mexAB-oprM操纵子编码的外排泵在其临床分离菌株中起主要的多重耐药功能。

北京大学生命科学学院王忆平课题组通过生物信息学、分子遗传学及生物化学等手段,对铜绿假单胞菌mexAB-oprM操纵子的表达调控进行了深入研究,发现在大肠杆菌等很多其它细菌中主管响应细胞膜胁迫信号的调节因子CpxR直接参与了mexAB-oprM操纵子的表达调控。体外研究结果证明,只有磷酸化的CpxR蛋白才可以结合mexAB-oprM启动子上游的靶位点;CpxR蛋白上的天冬氨酸磷酸化保守位点对其体内激活mexAB-oprM启动子至关重要。由于抗生素对细菌细胞的杀灭作用中也包括对细胞膜的直接或间接的胁迫作用,这暗示着当细菌遭到抗生素攻击导致其细胞膜出现威胁生命的异常时,细菌将及时感应到的危机信号传输给CpxR蛋白,激活mexAB-oprM操纵子,启动其“呕吐”机制(外排泵等),将体内的“毒药”(抗生素等)及时排出体外,从而达到细菌对不同药物的广谱耐药性(卡通表述见图一)。

细菌广谱耐药产生过程的工作模型。A.细菌“吃进”抗生素;B.细菌“感应到”细胞膜胁迫等异常信号后,通过CpxR激活MexAB-OprM外排泵的表达;C.细菌通过“呕吐”把体内的抗生素排到体外,达到其耐药的目的

本研究通过在铜绿假单胞菌的实验室模式菌株PA14中开展研究,揭示了CpxR激活蛋白与mexAB-oprM操纵子之间的调控偶联。为了探索其临床意义,本研究还对医院临床分离菌株进行系统分析,发现CpxR蛋白通过激活MexAB-OprM外排泵的表达,参与了其中部分耐药临床分离菌株的高耐药能力。因此,揭示CpxR对铜绿假单胞菌MexAB-OprM外排泵的表达调控机制,不单对研究细菌耐药性产生机制具有重要的理论意义,而且对防治日益严重的细菌耐药性问题具有重要的现实意义。

该项工作于2016年10月13日以 CpxR activates MexAB-OprM efflux pump expression and enhances antibiotic resistance in both laboratory and clinical nalB-type isolates of Pseudomonas aeruginosa为题在线发表在PLoS Pathogens。王忆平课题组的田哲贤博士为该论文的第一作者,合作者爱尔兰国立大学科克学院微生物学系Fergal O’Gara教授参与了研究,田哲贤博士和王忆平教授为该论文的共同通讯作者。相关研究工作得到了国家自然科学基金和北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

以上工作是王忆平课题组多年来对铜绿假单胞菌多重耐药研究的继续。在与爱尔兰国立大学科克学院的前期合作中,王忆平课题组的田哲贤博士在该病原菌基因组水平发现并分析了受LysR家族调控蛋白MexT控制的靶基因群(调节子)(Tian et al., Nucleic Acids Res. doi: 10.1093/nar/gkp828),并将受MexT调控的MexEF-OprN多药耐药外排泵的表达与该病原菌细胞毒力、细胞被膜形成等的多种生理途径偶联起来(Tian et al., Microb Pathog. doi: 10.1016/j.micpath.2009.08.003)。本研究是以上前期工作的延续,即将响应整体细胞生理状况的总体基因表达调控网络与多重耐药产生机制有机的结合起来开展研究,试图找到解决耐药细菌的感染的关键节点,后续的研究工作正在进行中。

编辑:拉丁


   
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