细菌耐药性是当前最紧迫的公众健康问题之一,尤其在目前新型抗菌药物研发落后于耐药菌进化速度的情况下,细菌耐药性的发生、传播以及消除的机制,已经成为人们关注的热点。近来研究发现,细菌 DNA 损伤诱导反应 (SOS 反应 ) 在细菌进化耐药性的过程中扮演着重要角色。在这里,本文对 SOS 反应与细菌耐药性的关系、研究进展以及当前存在问题作一阐述。 Bacterial drug resistance is one of the world’s most pressing public health threats. Especially in today, new antimicrobial drugs are no longer being developed at a rate that can keep pace with microbial evolution. The mechanism for the emergence, spread and reversion of bacterial resistance has become a research hotspot. Recently, it has been proved that bacterial DNA damage response (also named SOS response) acts an important role in the evolution of drug resistance. Here, we reviewed the relation between SOS response and bacterial drug resistance.
DNA是生命遗传信息的载体,是细胞内最重要的组成成分,它的稳定性和细胞的生死突变直接相关,直接或间接损伤DNA是临床常用的杀死细胞的手段。在正常的细胞里,损伤的DNA可以被损伤诱导反应(DNA Damage Response, DDR)迅速识别,并激活DNA修复蛋白,修复药物造成的DNA 损伤,因此,DNA损伤诱导反应被认为是细胞产生耐药性的重要原因。比如人类肿瘤细胞可以通过诱导DNA修复,抵御放化疗对DNA的损伤进而表现为耐药性[
80年代以来,由于抗菌药物(Antimicrobial or Antibiotic)的大量使用,尤其是不合理使用,导致细菌产生对抗菌药物的耐药性和多重耐药性的现象日趋严峻,加重了细菌感染的致病率,致死率以及患者的治疗费用支出。世界卫生组织在2007年就把细菌耐药性列为威胁人类的重大公共安全问题之一;2011年世界卫生日更是提出了“抵御细菌耐药性”的主题,向全世界发出抵抗细菌耐药性的呼声。细菌耐药性在我国广泛存在,《柳叶刀》杂志2008年曾刊文指出,中国医院内感染的致病菌有40%为耐药菌,耐药菌的增长率达26%,居世界首位。2011年全国细菌耐药监测结果表明,对常用的β-内酰胺类,喹诺酮类抗菌药物的耐药性普遍达到50%以上,有些更是达到70%~ 90%。细菌耐药性和耐药菌感染已经成为我们人类面临的最大难题之一,目前细菌不仅对天然来源的抗菌药物和半合成抗菌药物存在耐药性,而且对人工新合成的抗菌药物也产生了耐药性,目前几乎所有的抗菌药物,均出现了耐药菌株。而新型抗菌药物的研发速度远远落后于细菌耐药性的发展速度。人类在对抗细菌的战斗中,几乎快到了无药可用的尴尬境地[2,3]。
耐药菌株产生的主要原因是不规范使用或滥用抗菌药物,减少抗菌药物的使用可以明显降低耐药菌株的发生,比如在匈牙利,当医生减少使用青霉素控制肺炎感染时,抗青霉素的肺炎链球菌耐药菌株明显减少[
耐药基因的稳定性是细菌耐药性泛滥的另一个原因,细菌容易接受耐药基因,却不容易丢失耐药基因,即使在没有抗菌药物的环境中,细菌耐药性也往往能稳定存在。1) 耐药基因或单独或以整合子、转座子及温和噬菌体的形式整合到细菌染色体上,随染色体一起复制而稳定存在;2) 耐药基因往往成簇存在或与其他抗逆基因一起存在,一种环境因子的压力均可以保持多种耐药基因的稳定遗传;3) 细菌的耐药性在环境中普遍存在,耐药基因存在于致病菌以及非致病菌、大量使用抗菌药物的医疗机构以及外部正常环境中,在土壤、水体和空气中广泛分布,形成一个耐药基因可以相互交流的大环境[
因此,为了应对急剧增加的耐药菌感染,除了加强抗菌药物的管理工作,控制耐药菌株的出现,研究细菌耐药机制,遏制当前耐药性的迅速扩散,以及消除或者减少已经普遍存在的耐药菌株或耐药基因,是当前科研工作者急需解决的问题之一。
抗菌药物的作用机理主要是抑制细菌细胞内特有的重要代谢过程,临床用抗菌药物发挥作用需要以下几个步骤:首先是进入细菌细胞、在细胞内达到抑制浓度、和靶目标结合,干扰细菌代谢,抑制细菌生长甚至死亡。任何一个步骤的破坏都会影响抗菌药物的效果。目前对抗菌药物与作用靶位的作用机制以及对细胞造成的直接影响,已经了解的比较多。然而对药物处理后细菌是如何反应,以及如何导致细菌死亡,都还不清楚。最近,Kohanski等提出了一个通用的抗菌药物杀菌模型[9,10]。如图1所示,抗菌药物与细菌细胞内初级靶位结合后,通过一系列代谢反馈活性调节,激活细胞内还原力的过度氧化消耗。NADPH通过电子传递链进行氧化,在氧化过程中产生的超氧基化合物,和铁硫蛋白中的铁发生芬顿反应(Fenton reaction),进而生成氧化力极强的羟自由基,严重破坏细菌细胞内的DNA、蛋白质和细胞膜等细胞结构,最终导致细胞死亡。提高细胞内的抗氧化能力,可以明显提高细菌对抗菌药物的耐受性[
图1. 抗菌药物通用作用机制[
可以激发细胞内的DNA损伤诱导反应(SOS反应),这就意味着所有的抗菌药物都具有诱导SOS反应的潜力[
SOS反应作为一种可诱导的DNA修复和损伤耐受体系,是细菌对DNA损伤的应激反应[
一般认为,任何损伤DNA或者破坏复制叉的因素均可诱导细菌SOS反应,包括细胞代谢产生的活性氧、DNA复制错误、紫外线、温度、压力、化学试剂等等(如图2),其中也包括前面讲的抗菌药物的诱导。随着人们对抗菌药物作用机制和细菌耐药机制的了解,越来越多的研究结果证明,细菌SOS反应在细菌耐药性获得和传播过程中起着重要作用[
细菌的耐药性根据是否遗传可以分为非遗传耐药性(Noninherited Resistance)和可遗传耐药性(Inherited Resistance)。非遗传耐药性指在致死剂量的抗菌药物压力下,少数敏感细菌的生长变慢,进入休眠期,从而具有了对多种抗菌药物的不敏感性;当除去抗菌药物后,细菌恢复生长,同时也恢复了对抗菌药物的敏感性。非遗传耐药性不涉及遗传物质的改变,也称为耐受性(Tolerance或Persistence)[
可遗传耐药性是基于基因突变或耐药性基因的水平转移而获得的稳定的可遗传的对药物的抵抗力。可遗传耐药性又可以分为固有耐药性(Annate Resistant)和获得性耐药性(Acquire Resistance),其中固有耐药性是指自然界中细菌本身就有的耐药性(耐药基因),这些耐药基因在细胞内主要起代谢调控、信号传递的作用。固有耐药菌或者是产生抗菌药物的真菌或放线菌,其抗菌药物合成基因簇中本身就含有耐药基因,或者是这些抗菌药物产生菌的周围环境中所生活的微生物,为了生存,在长期自发基因突变基础上进化出耐药基因。这部分细菌本来范围和数量都很小,但是抗菌药物的大量使用,加速了抗药性基因在细菌间的广泛水平传播,这是细菌获得性抗药基因的主要来源[
一方面,SOS反应诱导错误倾向的DNA复制,大大提高了碱基自发突变率,导致产生多重抗菌药物耐药性,比如在正常情况下,细胞的随机突变率很低,每条染色体每代突变率只有10−8~10−6左右,但在抗菌
图2. 细菌SOS反应的诱导因素[
药物选择压力下,随着SOS反应的诱导,细菌的突变频率提高了10~10,000倍,大大增加了抗菌药物抗性出现的几率[
抗菌药物、细菌耐药性和SOS反应存在着紧密关联。抗菌药物可以诱导SOS反应;SOS反应可以弱化抗菌药物的效果,发展耐药性,细菌耐药性可以抵御抗菌药物的压力,让细菌更好的生存。理论上讲,阻断从抗菌药物到耐药性的任何一个环节,均可以控制耐药性的发生发展。因此,控制细菌SOS反应诱导作为一个新的药物靶点受到热捧,被认为是解决细菌耐药性的最终途径[
归纳起来有下面几点:1) 抗菌药物作用模式的统一性,按照Kohanski提出的抗菌药物通用作用模式,抗菌药物诱导的过氧化氢损伤包括DNA在内的生物大分子,损伤的DNA可以诱导细菌SOS反应,理论上,所有抗菌药物均有诱导SOS反应的潜力[
以往对细菌耐药性的研究多是从彻底消灭致病菌作为出发点,包括分析耐药菌株和耐药机制寻找新药进行抑制,大规模筛选新型抗菌药物用于杀死细菌和耐药细菌,以及现在各国普遍推广的抗菌药物的有效使用管理等,都是为了强化我们对付细菌的武器(抗菌药物)。然而对于我们的对手细菌的研究却相对较少,从细菌的角度来讲,细菌发展耐药性只是为了更好的生存,是细菌本身的一种进化适应机制,只是当前人们对抗菌药物的大量使用加速了细菌耐药性的进化过程[
感谢山东大学微生物技术国家重点实验室徐海教授对本文的审校与指导。本文得到山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2010SW014)的支持。
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