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陈鹏、何川课题组Nature Chemical Biology解析细菌耐药机制


       抗生素使用中所产生的细菌耐药性尤其是抗生素多重耐药及交叉耐药性已成为亟待解决的问题。研究表明通过全局操纵子控制的主动外排机制是细菌产生多重耐药性(multiple antibiotic resistance)的重要原因之一。其中,多重抗药性蛋白家族(MarR family)作为转录调控蛋白对抗药性的产生,毒性因子的合成以及其他生理过程起着重要的调控作用。大肠杆菌MarR蛋白作为多重抗药性蛋白家族的 原型对marRAB操纵子有负调控功能,抑制下游相关抗药性基因的表达。以往的研究表明酚类化合物(如水杨酸)以及多种抗生素能够诱导MarR蛋白去抑制导致抗药性的产生。然而这些底物并不能成为MarR激活的生理相关的调控因子。MarR蛋白的真正调控因子(信号)至今仍不确定。
        为了寻找潜在的激活MarR蛋白的信号分子,结合MarR家族其他蛋白的调节机制,我们尝试筛选了一系列氧化剂和二价金属离子。结果表明,二价铜离子能够促使MarR蛋白从结合的启动子DNA上解离下来。体内实验也证明二价铜离子是MarR蛋白的调控因子。我们发现水杨酸和其他抗生素(诺氟沙星,氨苄青霉素)引起MarR蛋白的去抑制实际上是经由产生的铜离子信号介导完成。结合一系列生化试验以及质谱和蛋白质晶体学的研究,我们提出了激活MarR蛋白的分子机制:二价铜离子能够催化氧化两个临近MarR蛋白80位的半胱氨酸形成分子间的二硫键,天然的MarR二聚体蛋白由此转变成二硫键稳定的四聚体蛋白并从启动子DNA上解离下来。
        我们进一步研究了大肠杆菌体内铜离子信号是如何产生的。实验结果表明水杨酸和临床广泛使用的抗生素如氨苄青霉素和诺氟沙星能够刺激大肠杆菌体内游离铜离子水平的升高。此外,抗生素的刺激还能够引起大肠杆菌细胞内膜间隙压力(envelope stress)的产生并进一步产生有机过氧化物。这些氧化压力会破坏细胞膜上的铜结合蛋白如NDH-2(NADH 脱氢酶II)和CyoB(细胞色素bo3 泛醌氧化镁亚基I)最终导致自由的一价铜离子释放。一价铜离子在抗生素产生的有机过氧化物和其他活性氧物质的氧化压力下被氧化成二价铜离子并激活MarR蛋白的去抑制引起大肠杆菌的抗药性。
        此项研究首次发现二价铜离子是大肠杆菌多重抗药性蛋白MarR的天然调控因子并将将抗生素产生的铜离子信号和MarR介导的大肠杆菌抗药性联系起来。我们的研究表明大肠杆菌能够利用MarR蛋白直接响应铜离子信号来抵御抗生素或环境压力所产生的不利影响。研究论文“The multiple antibiotic resistance regulator MarR is a copper sensor in Escherichia coli” 发表在Nature Chemical Biology杂志。
 

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