《阻碍细菌交流,制服耐药细菌》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2019-05-03
  • 世界卫生组织将铜绿假单胞菌列为需要采取紧急措施预防和控制的细菌,它能引起慢性肺部感染和败血症等疾病。由于它对许多抗生素的抗药性越来越强,这种感染往往危及生命。对此,德国康斯坦茨大学研究者另辟新径,将研究重点对准抑制铜绿假单胞菌的毒力因子。此外,研究者还开发了一种可以直接测量活细胞中酶抑制作用的新技术。该研究发表在2018年10月18日的JACS上。

    研究聚焦于铜绿假单胞菌的一个特定的代谢通路,这个通路合成喹诺酮类物质。喹诺酮类物质在此充当群体交流的信号,细胞据此量化其细胞数量或种群密度。如果喹诺酮类物质足够多,细菌就会产生毒力因子,这就是细菌感染性和致病性的原因。

    该研究的目标是切断这种喹诺酮的交流。PqsD酶在喹诺酮类物质的生物合成中起核心作用。研究人员开发出一种分子,可以抑制这种酶的作用,减少细菌产生喹诺酮类物质,最终减少细菌产生毒力因子。

    然而,迄今为止,酶抑制剂通常是在无细胞系统中开发出来的,在活细胞中常常被证明是无效的。于是,研究者开发了一种寻找酶抑制剂的新方法,通过测试化合物文库,来发现特定代谢途径的抑制剂,使用化学探针来测量活细胞中酶的抑制作用。该策略不仅局限于PqsD酶。将来,它还将用于针对其他细菌代谢途径的抑制剂的开发。

  • 原文来源:;https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181107130218.htm
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:黄翠
    • 发布时间:2017-06-20
    • 哺乳动物肠道栖息着万亿细菌,这些细菌中有一些属于无害类型,也有一些属于潜在的致病菌。在肠道内持续生存对这些细菌来说也是一个不小的挑战,因为肠道的一波又一波蠕动会把内容物不断驱赶出去,细菌如何避免被驱赶是需要生存技巧的。科学界对致病菌如何粘附宿主细胞的过程早就有比较全面的研究,但不知道肠道细菌是如何共生定居于肠道粘膜表面。 最新《自然》在线发表 Spaulding 等的论文,研究了可导致泌尿系统感染如膀胱炎的肠道大肠杆菌如何在小肠内生存,大肠杆菌在肠道生存需要借助自身合成的一种丝状蛋白复合物 pili,这种蛋白能协助细菌粘附肠道壁。作者还确定了一种糖衍生物能破坏这些粘附过程。来自粪便的大肠杆菌能入侵尿道并导致尿路感染,预防大肠杆菌在泌尿系统定居是治疗泌尿系感染的一种策略。过去研究发现,pili 是细菌定居于膀胱和肾脏等感染部位的必须成分。伴侣蛋白 - 推进蛋白途径类 (CUP) 菌毛广泛存在于大肠杆菌等细菌。研究人员推测 CUP 菌毛可能参与肠道定居。为验证这一假说,作者建立突变缺失 9 种 CUP 菌毛基因的大肠杆菌,并测试这些细菌在泌尿系统定居的能力。结果发现,如果将 1 型和 F17 CUP 菌毛基因删除,细菌的感染能力显著降低。1 型菌毛是膀胱内感染的关键,但是这种基因对大肠杆菌在肠道内的定居能力的作用是最新发现。而 F17 样菌毛只对肠道定居有贡献,缺乏这种基因的细菌仍然能感染膀胱。 菌毛作为宿主 - 病原体结合的桥梁是粘附蛋白尖端碳水化合物通过共价键连接到宿主细胞膜上的蛋白质或脂质上。通过对 1 型和 F17 样菌毛进行纯化,研究人员证明每个菌毛能结合特定的宿主蛋白聚糖,其中 1 型能与包含 d 甘露糖的 N 型聚糖结合,F17 样菌毛则结合 O 型聚糖。这种结合特征让大肠杆菌能分别定居在肠道内不同部位,保证了肠道内大肠杆菌的多样化。研究人员还发现,从一组女性反复发作的女性尿路感染患者体内分离的大肠杆菌,几乎所有都能制造 F17 样菌毛,结果支持这些菌毛和复发性尿路的关系。 为研究 1 型菌毛如何协助大肠杆菌结合在肠道细胞上,Spaulding 观察了一种化合物 M4284 的作用,这是一个甘露糖苷小分子,结合 1 型菌毛的能力是 d 甘露糖的 10 万倍。研究发现,小鼠口服 M4284 能显著减少肠道内大肠杆菌的数量。提示 M4284 能竞争阻断细菌 d 甘露糖与肠道上皮细胞的结合,使大肠杆菌无法有效结合在肠道上皮细胞,从而很容易被肠道蠕动清除体外。 能不能用这种小分子化合物作为泌尿系感染的治疗药物?进一步研究发现,M4284 确实具有帮助小鼠清除膀胱的大肠杆菌,这种作用是通过直接干扰细菌通过 1 型菌毛和宿主膀胱上皮细胞之间的结合。推测 M4284 从肠道吸收入血,进入膀胱发挥作用。另外一种可能是通过减少肠道内大肠杆菌的数量有利于减少泌尿道感染发生率。 超级耐药细菌是当今医学领域面临的重大挑战,抗生素的开发总是无法跟上耐药菌的出现。Spaulding 等的发现给我们提供了一种潜在的不依赖抗生素的减少细菌感染的策略,这非常值得鼓励。抑制细菌和宿主细胞的结合可能是未来对付恶劣细菌感染,解决耐药菌的重要理想手段。 长期的医疗实践告诉我们,抗生素不仅杀死致病菌,也会导致肠道正常菌群被误伤。正常肠道菌群给我们提供一个天然屏障,避免致病菌的入侵。但这种屏障可以因为耐药菌过度增殖破坏。但是通过阻断细菌和宿主细胞结合的小分子如 M4284 将不会对正常菌群产生干扰。Spaulding 研究也证明使用 M4284 对肠道菌群没有产生明显影响。研究病原体致病机制的同时,也应该对正常菌群如何维持进行研究,只有通过深入全面研究,才能在摧毁敌对分子的同时保护好周围吃瓜的群众。
  • 《法国科学家揭示细菌接触抗生素时产生耐药性的新机制》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2019-06-03
    • 大肠杆菌能够合成抗药性蛋白,即便在旨在抑制细胞生长的抗生素存在下,也是如此。这是法国研究人员在一项新的研究中报道的研究结果。他们还发现了这种细菌是如何实现这一壮举的:一种保存完好的膜泵将抗生素从细胞中转运出去---只要足够长的时间就可以让细胞有时间接受来自相邻细胞的编码抗药性蛋白的DNA。相关研究结果发表在2019年5月24日的Science期刊上,论文标题为“Role of AcrAB-TolC multidrug efflux pump in drug-resistance acquisition by plasmid transfer”。 美国东新墨西哥大学微生物学家Manuel Varela(未参与这项新的研究)表示,“这是一个重要的发现。它将有助于解释细菌在遇到抗生素的毒性水平时如何设法传播抗菌素耐药性。” 这一发现让论文通讯作者、法国里昂大学细菌遗传学家Christian Lesterlin感到吃惊。他和他的同事们最初开始开发一种实时显微镜系统的项目,以便详细观察质粒转移---细菌细胞彼此分享DNA的过程。通过使用精心设计的荧光蛋白,一旦它们在新的宿主体内表达,他们就能够追踪质粒将编码它们的DNA从供体细胞转移到受体细菌以及所表达的荧光蛋白。 他们以大肠杆菌习惯性地分享抗生素耐药基因为例,观察到通过将编码TetA蛋白---一种让细胞对四环素产生耐药性的膜泵---的DNA从细胞中运出,从而将它传递出去。不久之后,他们观察到质粒DNA进入非耐药性细胞中,一段时间后,红色荧光点出现在受者细胞的膜上,这表明TetA蛋白发生表达,而且这些非耐药性细胞对四环素产生抗性。 这种抗生素通常用于家畜,但有时也用于治疗肺炎、呼吸道感染和其他疾病,通常会抑制缺乏TetA的细菌的生长,但是通过采用这种机制,许多细菌菌株正在变得具有耐药性。在最初的实验中四环素并不存在,所以为了了解这个过程是如何受到这种药物本身的影响,这些研究人员将细菌细胞暴露在高浓度的四环素中,并再次将它们置于显微镜下。 正如所料,这些研究人员观察到质粒DNA进入新的非耐药性细胞中。这是预料之中的,这是因为四环素不会阻碍这一过程。相反,它旨在阻止蛋白合成。令人吃惊的是,他们发现一些新的之前缺乏TetA蛋白的受者细胞中出现红色荧光,这些细胞以前没有TetA蛋白质:显然,尽管暴露于四环素中,它们仍然能够合成包括TetA在内的蛋白。Lesterlin回忆说:“我们花了很多很长时间才证实了这个结果,这非常违反直觉,我们很难确信它确实发生了。” 这些研究人员对这些细胞能够做到这一点进行了有根据的猜测:众所周知,许多细菌膜都含有一种称为AcrAB-TolC的多药外排泵,这种泵能够将很多抗生素从细胞中运出,他们认为,在四环素能够阻止蛋白合成和细胞生长之前,这种泵将它从细胞中运出。为了验证这一想法,他们设计了几种突变体,每种突变体在编码组成这种泵的不同蛋白的多个基因中的一个上发生突变。 他们发现这些突变体虽然从相邻细胞接受了携带TetA遗传密码的质粒,却不能合成TetA蛋白。在缺乏功能性外排泵的情形下,这些突变体不能将四环素从细胞中运出。随着抗生素水平在细胞内激增,它们不再能够合成蛋白,也就不能生长。 这些研究人员表示,当功能正常时,AcrAB-TolC泵将抗生素浓度保持在足够低的水平,为细菌细胞合成质粒DNA中编码的抗性蛋白赢取了时间。在这种情况下,它允许TetA蛋白产生,随后将更多的四环素从细胞运出。最终,细菌可以在抗生素的存在下具有耐药性。正如Lesterlin所说,“对细菌来说,这是比人类健康更好的消息。” 美国科罗拉多大学博尔德分校化学工程师和微生物学家Anushree Chatterjee(未参与这项新的研究)指出,“多药外排泵AcrAB-TolC在这个领域早已广为人所知。”不过,她说,事实上,它有助于细菌在接触抗生素的同时获得抗药性,这一消息是新闻。看到细菌能做这么多事情总是令人关注的。” 她说,这些发现具有广泛的影响,这是因为AcrAB-TolC在细菌中是非常保存的,而且这种其机制并不仅限于四环素。 Lesterlin和他的同事们证明这种泵还允许细菌在其他的抑制基因表达的抗生素---比如,抑制翻译的氯霉素和抑制转录的利福平---存在的情况下合成抗药性蛋白。 Lesterlin补充说,这种机制与所谓的不会杀死仅能抑制细菌生长的抑菌抗生素(bacteriostatic antibiotics)有关。他猜测这也将适用于在细菌产生耐药性之前直接将它们破坏的溶菌抗生素(bacteriolytic antibiotics)。 Chatterjee和Varela都对这项新研究进行了深入研究,其研究结果非常可靠,Varela对Lesterlin团队开发的技术印象特别深刻,这种技术可以在观察TetA蛋白合成的同时观察质粒DNA在细胞之间的转移。 Varela补充道,“这些作者还阐明了可作为开发新型抗菌试剂的新靶点的关键细菌机制。”比如,人们可能通过靶向AcrAB-TolC泵来制造抗生素---一些实验室正在研究这种方法。或者,人们可能能够靶向调节它产生的基因---这个角度吸引了Chatterjee。传统的抗生素设计方法在很大程度上依赖于靶向特定蛋白的小分子,而且对其中的许多小分子而言,细菌已经见过很多年了,最终选择了更多的耐药机制。 Chatterjee说,“我们需要研究非传统的途径。允许细胞应对这些应激情况的调节机制是什么?我认为靶向这些过程似乎,有助于开发从一开始就有望阻止耐药性产生的更智能疗法。”