《科學(xué)》：耐藥菌真是太猛了！科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，超級(jí)細(xì)菌MRSA竟用獨(dú)特的分裂方式征服抗生素丨科學(xué)大發(fā)現(xiàn)

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支原體又卷土重來(lái)了。

最近一段時(shí)間，支原體肺炎讓無(wú)數(shù)小朋友遭罪，也讓無(wú)數(shù)家長(zhǎng)崩潰。醫(yī)院的輸液室里，擠滿(mǎn)了對(duì)阿奇霉素耐藥的支原體肺炎患兒。

很多家長(zhǎng)感嘆，現(xiàn)在的孩子太難了，以后要是再感染耐藥支原體，可咋治啊！我突然意識(shí)到，抗生素耐藥問(wèn)題，從未像最近兩年這樣離我們這么近。

比起耐藥支原體，耐藥超級(jí)細(xì)菌更讓人類(lèi)頭疼。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2019年，耐藥菌在全球范圍內(nèi)至少導(dǎo)致35萬(wàn)人死亡[1]。其中，以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）最猛，超過(guò)三分之一的死亡是它導(dǎo)致的[1]。然而，科學(xué)家對(duì)MRSA耐抗生素的機(jī)制還沒(méi)有完全搞清楚。

近日，由英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Simon J. Foster和Jamie K. Hobbs領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上發(fā)表了一篇重磅研究成果[2]。

他們借助于原子力顯微鏡，發(fā)現(xiàn)在抗生素存在的情況下，MRSA竟然會(huì)采用一種新型細(xì)胞分裂模式，幫助它們完成分裂增殖。具體來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有抗生素的時(shí)候，MRSA在細(xì)胞分裂隔膜處形成獨(dú)特的同心環(huán)形肽聚糖；在抗生素存在的情況下，高耐藥水平MRSA的隔膜是孔徑較小的致密網(wǎng)狀肽聚糖。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，抗生素治療讓MRSA失去了形成正常隔膜的能力，但高耐藥水平MRSA可以通過(guò)另一種方式形成隔膜，保證細(xì)菌的正常分裂增殖和存活。

▲論文首頁(yè)截圖及機(jī)制示意圖

金黃色葡萄球菌是一種具有較強(qiáng)致病力的革蘭氏陽(yáng)性菌。青霉素用于臨床治療之后不久，金黃色葡萄球菌就對(duì)青霉素耐藥了。1959年，抗生素甲氧西林問(wèn)世，用于治療對(duì)青霉素耐藥的金黃色葡萄球菌。

甲氧西林是β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素家族的一員，通過(guò)作用于細(xì)胞膜上的青霉素結(jié)合蛋白（PBPs，主要是PBP1和PBP2），抑制細(xì)胞壁中肽聚糖的組裝發(fā)揮殺菌作用。不過(guò)，在1960年，就有研究人員報(bào)道了耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）感染。

到1984年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了MRSA耐藥的潛在機(jī)制，原來(lái)MRSA中出現(xiàn)了一個(gè)與大多數(shù)β-內(nèi)酰胺類(lèi)藥物親和力較低的青霉素結(jié)合蛋白2a（PBP2a，由mecA基因編碼），特異性地填補(bǔ)了PBP2因抗生素失去的轉(zhuǎn)肽酶活性，幫助肽聚糖組裝。

不過(guò)，研究人員也注意到，絕大多數(shù)MRSA僅能耐受略高于最小抑制濃度的甲氧西林。需要注意的是，約萬(wàn)分之一的MRSA對(duì)甲氧西林高度耐藥，它們才是人類(lèi)健康的大威脅。

近年來(lái)，在Foster團(tuán)隊(duì)的努力下，他們發(fā)現(xiàn)高度耐藥MRSA的形成需要兩步。第一步就是獲得編碼PBP2a的mecA基因；第二步是編碼RNA聚合酶亞基（rpoB或rpoC）的基因發(fā)生錯(cuò)義突變，即所謂的rpo*突變，會(huì)讓MRSA的耐藥水平發(fā)生飛躍式變化[3,4]。

▲Simon J. Foster（左）和Jamie K. Hobbs

Simon J. Foster是研究金黃色葡萄球菌的微生物學(xué)家，一直以來(lái)他的課題組都在研究MRSA耐受抗生素的機(jī)制。2020年，F(xiàn)oster與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Hobbs合作，借助原子力顯微鏡研究了金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁中肽聚糖的結(jié)構(gòu)特征，為抗生素的研發(fā)尋找靶標(biāo)[5]。

因此，這一次他們想再次借助于原子力顯微鏡，看看不同耐藥水平的MRSA，在面對(duì)抗生素時(shí)，細(xì)胞壁究竟會(huì)發(fā)生哪些不同的變化。研究主要涉及三類(lèi)金黃色葡萄球菌：對(duì)甲氧西林敏感的SH1000、低耐藥水平MRSA（mecA+）和高耐藥水平MRSA（mecA+rpoB*）。

顯微成像結(jié)果顯示，在沒(méi)有甲氧西林的情況下，SH1000和低耐藥水平MRSA表現(xiàn)相似。具體來(lái)說(shuō)，它們所有區(qū)域的細(xì)胞壁內(nèi)表面都由致密的網(wǎng)狀肽聚糖組成；細(xì)胞分裂后新暴露的隔膜外表面表現(xiàn)出特征性的同心環(huán)狀肽聚糖結(jié)構(gòu)，而遠(yuǎn)離分裂部位的細(xì)胞外表面則由開(kāi)放的網(wǎng)狀肽聚糖結(jié)構(gòu)組成。

在有1.5μg/ml甲氧西林存在的情況下，低耐藥水平MRSA的隔膜外表面沒(méi)有明顯的肽聚糖同心環(huán)，而是呈現(xiàn)出致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且細(xì)胞壁變得更薄了；而SH1000則表現(xiàn)出細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞死亡。

對(duì)于高耐藥水平MRSA而言，在沒(méi)有抗生素的條件下，細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也跟SH1000相似。當(dāng)使用25μg/ml甲氧西林處理時(shí)（足以殺死SH1000和低耐藥水平MRSA），高耐藥水平MRSA細(xì)胞壁內(nèi)表面保持了致密的肽聚糖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有出現(xiàn)穿孔；此外，在大多數(shù)情況下，隔膜增厚，而且新分裂的細(xì)胞外表面完全沒(méi)有同心環(huán)肽聚糖結(jié)構(gòu)。

▲抗生素對(duì)不同耐藥水平金黃色葡萄球菌隔膜的影響

值得注意的是，隔膜肽聚糖同心環(huán)是幾種革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的特征[5]，但是經(jīng)甲氧西林處理的高耐藥水平MRSA細(xì)胞的隔膜外表面沒(méi)有出現(xiàn)肽聚糖同心環(huán)，而是由孔徑較小的無(wú)序致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

這一差異讓Foster/Hobbs團(tuán)隊(duì)想搞清楚，是不是臨床上其他高耐藥水平MRSA菌株也有這樣的特征。于是，他們又分析了5個(gè)高耐藥水平MRSA菌株，發(fā)現(xiàn)MRSA菌株在應(yīng)對(duì)抗生素挑戰(zhàn)時(shí)，隔膜肽聚糖結(jié)構(gòu)的變化是一致的。

接下來(lái)的問(wèn)題就是，在面對(duì)抗生素的時(shí)候，高耐藥水平MRSA究竟為什么可以分裂。

▲不同耐藥水平金黃色葡萄球菌細(xì)胞壁特征示意圖

在后續(xù)的研究中，F(xiàn)oster/Hobbs團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步細(xì)化了高耐藥水平MRSA出現(xiàn)的關(guān)鍵兩步。

第一步是獲取PBP2a，因?yàn)镻BP2a可在β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素存在的情況下補(bǔ)償PBP2轉(zhuǎn)肽酶失活，但PBP2a不能補(bǔ)償PBP2的轉(zhuǎn)糖基化酶活性，因此需要二者協(xié)作。

第二步是獲得rpo*突變等增效子（pot*）突變，因?yàn)?/strong>金黃色葡萄球菌隔膜的肽聚糖同心環(huán)是由PBP1轉(zhuǎn)肽酶活性生成的，抗生素的存在也抑制了PBP1轉(zhuǎn)肽酶活性，而rpo*突變的出現(xiàn)彌補(bǔ)了PBP1轉(zhuǎn)肽酶活性，但是以另一種形式促進(jìn)細(xì)胞壁形成和細(xì)胞分裂，因此隔膜不會(huì)形成肽聚糖同心環(huán)。

▲機(jī)制示意圖

總的來(lái)說(shuō)，Simon J. Foster和Jamie K. Hobbs團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)研究成果，揭示了高耐藥水平MRSA不懼抗生素的原因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種新的細(xì)胞分裂方式。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于復(fù)敏抗生素或者開(kāi)發(fā)新抗生素有重要價(jià)值。

最后，我想說(shuō)的是，大家在日常生活中一定要慎重使用抗生素，畢竟濫用抗生素會(huì)加速耐藥菌的大流行，威脅全人類(lèi)的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1].Miller WR, Arias CA. ESKAPE pathogens: antimicrobial resistance, epidemiology, clinical impact and therapeutics. Nat Rev Microbiol. 2024;22(10):598-616. doi:10.1038/s41579-024-01054-w

[2].Adedeji-Olulana AF, Wacnik K, Lafage L, et al. Two codependent routes lead to high-level MRSA. Science. 2024;386(6721):573-580. doi:10.1126/science.adn1369

[3].Panchal VV, Griffiths C, Mosaei H, et al. Evolving MRSA: High-level β-lactam resistance in Staphylococcus aureus is associated with RNA Polymerase alterations and fine tuning of gene expression. PLoS Pathog. 2020;16(7):e1008672. Published 2020 Jul 24. doi:10.1371/journal.ppat.1008672

[4].Bilyk BL, Panchal VV, Tinajero-Trejo M, Hobbs JK, Foster SJ. An Interplay of Multiple Positive and Negative Factors Governs Methicillin Resistance in Staphylococcus aureus. Microbiol Mol Biol Rev. 2022;86(2):e0015921. doi:10.1128/mmbr.00159-21

[5].Pasquina-Lemonche L, Burns J, Turner RD, et al. The architecture of the Gram-positive bacterial cell wall. Nature. 2020;582(7811):294-297. doi:10.1038/s41586-020-2236-6

本文作者丨BioTalker