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支原體又卷土重來了。

最近一段時間，支原體肺炎讓無數(shù)小朋友遭罪，也讓無數(shù)家長崩潰。醫(yī)院的輸液室里，擠滿了對阿奇霉素耐藥的支原體肺炎患兒。

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

比起耐藥支原體，耐藥超級細菌更讓人類頭疼。據(jù)統(tǒng)計，在2019年，耐藥菌在全球范圍內(nèi)至少導(dǎo)致35萬人死亡[1]。其中，以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）最猛，超過三分之一的死亡是它導(dǎo)致的[1]。然而，科學(xué)家對MRSA耐抗生素的機制還沒有完全搞清楚。

近日，由英國謝菲爾德大學(xué)Simon J. Foster和Jamie K. Hobbs領(lǐng)銜的研究團隊，在國際頂級期刊《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竟然會采用一種新型細胞分裂模式，幫助它們完成分裂增殖。具體來說，在沒有抗生素的時候，MRSA在細胞分裂隔膜處形成獨特的同心環(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。

簡單來說，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可以通過另一種方式形成隔膜，保證細菌的正常分裂增殖和存活。

▲論文首頁截圖及機制示意圖

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

甲氧西林是β-內(nèi)酰胺類抗生素家族的一員，通過作用于細胞膜上的青霉素結(jié)合蛋白（PBPs，主要是PBP1和PBP2），抑制細胞壁中肽聚糖的組裝發(fā)揮殺菌作用。不過，在1960年，就有研究人員報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耐藥的潛在機制，原來MRSA中出現(xiàn)了一個與大多數(shù)β-內(nèi)酰胺類藥物親和力較低的青霉素結(jié)合蛋白2a（PBP2a，由mecA基因編碼），特異性地填補了PBP2因抗生素失去的轉(zhuǎn)肽酶活性，幫助肽聚糖組裝。

不過，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，約萬分之一的MRSA對甲氧西林高度耐藥，它們才是人類健康的大威脅。

近年來，在Foster團隊的努力下，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)生錯義突變，即所謂的rpo*突變，會讓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，一直以來他的課題組都在研究MRSA耐受抗生素的機制。2020年，F(xiàn)oster與實驗物理學(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[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，在面對抗生素時，細胞壁究竟會發(fā)生哪些不同的變化。研究主要涉及三類金黃色葡萄球菌：對甲氧西林敏感的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。具體來說，它們所有區(qū)域的細胞壁內(nèi)表面都由致密的網(wǎng)狀肽聚糖組成；細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)，而遠離分裂部位的細胞外表面則由開放的網(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)，而且細胞壁變得更薄了；而SH1000則表現(xiàn)出細胞壁破裂，細胞死亡。

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

▲抗生素對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)是幾種革蘭氏陽性細菌的特征[5]，但是經(jīng)甲氧西林處理的高耐藥水平MRSA細胞的隔膜外表面沒有出現(xiàn)肽聚糖同心環(huán)，而是由孔徑較小的無序致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

這一差異讓Foster/Hobbs團隊想搞清楚，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個高耐藥水平MRSA菌株，發(fā)現(xiàn)MRSA菌株在應(yīng)對抗生素挑戰(zhàn)時，隔膜肽聚糖結(jié)構(gòu)的變化是一致的。

接下來的問題就是，在面對抗生素的時候，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胞壁特征示意圖

在后續(xù)的研究中，F(xiàn)oster/Hobbs團隊進一步細化了高耐藥水平MRSA出現(xiàn)的關(guān)鍵兩步。

第一步是獲取PBP2a，因為PBP2a可在β-內(nèi)酰胺類抗生素存在的情況下補償PBP2轉(zhuǎn)肽酶失活，但PBP2a不能補償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，因為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)彌補了PBP1轉(zhuǎn)肽酶活性，但是以另一種形式促進細胞壁形成和細胞分裂，因此隔膜不會形成肽聚糖同心環(huán)。

▲機制示意圖

總的來說，Simon J. Foster和Jamie K. Hobbs團隊這項研究成果，揭示了高耐藥水平MRSA不懼抗生素的原因，同時發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞分裂方式。這一發(fā)現(xiàn)對于復(fù)敏抗生素或者開發(fā)新抗生素有重要價值。

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

參考文獻：

[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