ROS在细菌耐药及抗生素杀菌中的作用机制

Hereditas(Beijing)2016年10月,38(10):902―909综述收稿日期:20160503;修回日期:20160617基金项目:国家自然科学基金项目(编号：81473251，81301474，31370166)和福建省自然科学基金项目(编号：2014J01139，2015J01345)资助[SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.81473251，81301474，31370166)andtheNaturalScienceFoundationofFujianProvince(Nos.2014J01139,2015J01345)]作者简介:马丽娜，硕士研究生，专业方向：流行病与卫生统计学。E-mail:[e-mail]通讯作者:赵西林，教授，博士生导师，研究方向：抗感染药物及其作用机理。E-mail:[e-mail]王岱，副教授，硕士生导师，研究方向：病原微生物及感染性疾病。E-mail:[e-mail]:10.16288/j.yczz.16-157网络出版时间:2016/7/1415:51:03URI:在细菌耐药及抗生素杀菌中的作用机制马丽娜1，米宏霏1,2，薛云新1，王岱1，赵西林11.厦门大学公共卫生学院，分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室，厦门361102；2.福建医科大学公共卫生学院，福州350108摘要:抗生素的不合理使用甚至滥用，使得细菌耐药性问题日趋严重。如何解决这一难题是人类目前面临的一项巨大挑战。除开发新型抗菌药物之外，寻找新的方法以增强现有抗生素的杀菌效果也是一种切实可行的策略。近期的研究发现活性氧簇(Reactiveoxygenspecies,ROS)在细菌耐药及抗生素杀菌方面均发挥重要作用。非致死浓度的抗生素作用下产生的ROS会通过影响MarR(Multipleantibioticresistancerepressor)-MarA(Multipleantibioticresistanceactivator)激活药物外排泵，通过SoxR(Superoxideresponsetranscriptionalregulator)-SoxS(Superoxideresponsetranscriptionfactor)途径启动细菌应激保护机制以及通过促进SOSDNA损伤修复系统诱导耐药突变，从而促成抗生素耐药与耐受的形成。而致死浓度的抗生素作用产生的ROS则会参与抗生素杀菌并减少耐药菌产生。除与抗生素浓度有关外，ROS参与细菌耐药与抗生素杀菌过程还会受到一系列遗传调控因子(如MazEF、Cpx、SoxR和MarRAB)的影响，因此存在一定复杂性。本文综述了ROS在细菌耐药与抗生素杀菌方面的作用机制，以期为寻找新的方法以增强现有抗生素杀菌效果，解决抗生素耐药问题提供一定的借鉴和指导。关键词:活性氧簇；杀菌；耐药；遗传调控ThemechanismofROSregulationofantibioticresistanceandantimicrobiallethalityLinaMa1,HongfeiMi1,2,YunxinXue1,DaiWang1,XilinZhao11.StateKeyLaboratoryofMolecularVaccinologyandMolecularDiagnostics,SchoolofPublicHealth,XiamenUniversity,Xiamen361102,China;2.SchoolofPublicHealth,FujianMedicalUniversity,Fuzhou350108,ChinaAbstract:Misuseandoveruseofantibioticshaveledtoseriousresistanceproblemsthatposeagravethreattohumanhealth.Howtosolvetheincreasingantibioticresistanceproblemisahugechallenge.Besidesthetraditionalstrategyof第10期马丽娜等:ROS在细菌耐药及抗生素杀菌中的作用机制903developingnovelantimicrobialagents,exploringwaystoenhancethelethalactivityofantibioticscurrentlyavailableisanotherfeasibleapproachtofightagainstresistance.RecentstudiesshowedthatROSplaysanimportantroleinregulatingbothantibioticresistanceandantimicrobiallethality.ROSproducedbysublethallevelsofantibioticinducesantibioticresistancethroughactivatingdrugeffluxpumpsviaMarR(Multipleantibioticresistancerepressor)-MarA(Multipleantibioticresistanceactivator),triggerstheprotectivefunctionagainststressviaSoxR(Superoxideresponsetranscriptionalregulator)-SoxS(Superoxideresponsetranscriptionfactor),andpromotesmutagenesisbyinductionofSOSsystem.Onthecontrary,ROStriggeredbylethallevelsofantibioticpromotesbacterialkillingandsuppressesresistance.Inadditiontotheconcentrationofantibiotic,theroleofROSinmediatingantimicrobialresistanceandbacterialkillingisalsoregulatedbyaseriesofgeneticregulators(e.g.MazEF,Cpx,SoxR,MarRAB).Thus,howROScontributetoantimicrobialresistanceandbacterialkillingiscomplex.Inthisreview,wesummarizedthemechanismofROSinregulatingantibioticresistanceandantimicrobiallethality,whichmayprovidereferencesandguidanceforfindingnewwaystoenhanceantimicrobiallethalityofcurrentlyavailableantimicrobialsandbattlingantibioticresistance.Keywords:ROS;bactericidal;resistance;geneticregulation抗生素的发现是人类医学史上一个重要的里程碑，它的出现使细菌感染性疾病得到了有效的控制。自1929年发现青霉素后，越来越多不同种类的抗生素相继被发现并广泛使用。但由于细菌本身存在的繁殖优势，易使其对相应的生存压力产生耐药性或耐受性，加之人们对于抗生素的不合理使用甚至滥用，进一步加剧了致病菌抗(耐)药性的形成[1,2]，尤其是“超级细菌”的出现使得人们甚至面临着无药可用的困境。目前主要通过以下几种办法解决耐药这一难题：研发新型药物，限制抗生素的使用，寻找新的方法以增强现有的抗生素杀菌效果等。持续开发新型药物已经变得越来越困难[2]，限制抗生素的使用虽取得一定成效[3~5]，但并不能从根本上解决问题[6]，因此寻找新的方法以增强现有抗生素的杀菌效果[7,8]在当前的研究中颇具前景。活性氧簇(Reactiveoxygenspecies，ROS)作为细胞能量代谢的副产物，在许多生理和病理过程中扮演重要角色。近年的研究发现，非致死浓度的抗生素介导积累的ROS可通过诱导MarA(Multipleantibioticresistanceactivator)、SoxS(Superoxideresponse,transcriptionfactor)提高细菌耐药、耐受性的产生[9,10]，同时不同种类的抗生素不仅可以通过各自特异的作用机制杀菌，也可通过抗生素杀菌共有通路产生ROS参与抗生素杀菌，减少细菌数目，降低细菌耐药的产生[11]。因此可以说ROS在细菌耐药及抗生素杀菌方面均发挥重要作用。本文对ROS参与细菌耐药及抗生素杀菌等方面的研究进展进行了综述，以期对解决细菌耐药性问题提供新的思路和参考。1ROS的产生与清除1.1ROS的产生ROS是一类含氧活性分子的总称，主要有3种类型：超氧阴离子(O2•)，过氧化氢(H2O2)以及羟自由基(•OH)。广义上，ROS还包括次氯酸盐(HOCL)、过氧亚硝酸盐(ONOO−)、一氧化氮(NO)等[12,13]。细菌体内有氧呼吸代谢过程会自然产生少量ROS，在外源环境(如抗生素、紫外线、电离辐射或热刺激)的刺激下则会产生过多ROS。已有研究表明ROS不仅参与抗生素杀菌，而且还可诱导基因突变形成[14]，这些突变基因有可能是产生抗生素耐药的重要因素[9]，因此清楚了解ROS产生的具体过程及其在胞内的作用机制显得尤为重要。ROS是生物有氧能量代谢中生成的副产物。在细菌内稳态代谢状态下，环境中的氧分子极易扩散到微生物中，与一系列生物分子产生反应。其中最重要反应为氧分子与黄素酶(Flavoenzymes)的相互作用，这一过程可以产生超氧化物和过氧化氢[15]。研究发现呼吸链也可以产生超氧化物[16]，却不能直接产生过氧化氢[17]。当在抗生素作用下，细菌胞内呼吸增强，则产生更多的ROS[18]。总的来说，胞内ROS的产生是在有氧条件下，氧分子通过持续的单电子传递生成超氧化物，过氧化氢以及有剧烈毒性的羟自由基的过程。904Hereditas(Beijing)2016第38卷1.2ROS的清除为应对ROS对细胞造成的损伤，生物机体内也进化出一套自我保护机制。除体内存在的维生素C、维生素E以及谷胱甘肽等抗氧化剂起到抗氧化作用外[19,20]，细胞内还存在许多抗氧化酶保护细胞免受ROS的损伤。例如，超氧化物岐化酶(SuperoxideDismutases,SOD)可以分解超氧化物生成过氧化氢和氧(2O2•+2H+H2O2+O2)。而过氧化氢又可在过氧化氢酶或过氧化物酶(Catalase/Peroxidase)作用下催化分解产生水和氧气(2H2O22H2O+O2)。值得注意的是，在这一过程中，相比过氧化氢酶，过氧化物酶对过氧化氢具有更高的亲和性，能够催化分解极微量的过氧化氢[21]。因此细菌在未受到外界压力情况下，ROS的产生与清除处于动态平衡，不会对细胞造成较大损伤。而当细菌在抗生素作用下产生的ROS过量积累时，过氧化氢则会通过Fenton反应产生羟自由基(Fe2++H2O2Fe3++OH+•OH)。大量产生的羟自由基具有剧烈毒性，且目前尚未发现有相应的酶系统可以清除羟自由基。因此相对于超氧化物和过氧化氢，羟自由基会对细胞造成巨大损伤，使得DNA断裂、蛋白羰基化、脂质过氧化等，而这些损伤最终则会引起细胞死亡[22]。2ROS