细菌DNA损伤诱导反应(SOS-反应)在控制细菌耐药性中的作用

AdvanceinMicrobiology微生物前沿,2013,2,83-89()RoleofDNADamageResponse(SOSresponse)ontheControlofBacterialResistanceYanZhang1,2,DuohongSheng1*1StateKeyLaboratoryofMicrobialTechnology,ShandongUniversity,Jinan2ShandongShuiliHospital,JinanEmail:*[e-mail]:Feb.13th,2013;revised:Mar.26th,2013;accepted:Apr.5th,2013Copyright©2013YanZhang,DuohongSheng.ThisisanopenaccessarticledistributedundertheCreativeCommonsAttributionLicense,whichpermitsunrestricteduse,distribution,andreproductioninanymedium,providedtheoriginalworkisproperlycited.Abstract:Bacterialdrugresistanceisoneoftheworld’smostpressingpublichealththreats.Especiallyintoday,newantimicrobialdrugsarenolongerbeingdevelopedataratethatcankeeppacewithmicrobialevolution.Themechanismfortheemergence,spreadandreversionofbacterialresistancehasbecomearesearchhotspot.Recently,ithasbeenprovedthatbacterialDNAdamageresponse(alsonamedSOSresponse)actsanimportantroleintheevolutionofdrugresistance.Here,wereviewedtherelationbetweenSOSresponseandbacterialdrugresistance.Keywords:Bacterium;SOSResponse;DrugResistance;RecA细菌DNA损伤诱导反应(SOS反应)在控制细菌耐药性中的作用张岩1,2，盛多红1*1山东大学微生物技术国家重点实验室，济南2山东水利医院，济南Email:*[e-mail]收稿日期：2013年2月13日；修回日期：2013年3月26日；录用日期：2013年4月5日摘要：细菌耐药性是当前昀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。关键词：细菌；SOS反应；耐药性；RecA1.引言DNA是生命遗传信息的载体，是细胞内昀重要的组成成分，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(DNADamageResponse,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[1]。细菌DNA损伤诱导反应又称为SOS反应，是指细菌应对基因组*通讯作者。Copyright©2013Hanspub83细菌DNA损伤诱导反应(SOS反应)在控制细菌耐药性中的作用DNA损伤的重要保护机制。关于SOS反应与细菌耐药性的关系已经引起人们的关注，控制SOS反应一度被认为是解决细菌耐药性的昀终手段。在这里，我们对SOS反应与细菌耐药性之间的关系做一简单综述。2.耐药基因的稳定性是细菌耐药性泛滥的重要原因80年代以来，由于抗菌药物(AntimicrobialorAntibiotic)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昀大难题之一，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[4]。然而事情没有想象的那么简单，控制抗菌药物的使用，耐药菌只是减少并没有消失，当重新使用相应抗菌药物时，耐药性迅速反弹，残余的耐药菌株又会重新占据优势[5]。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[6]；4)现行的污染处理方法不能有效抑制耐药性传播。比如现在，在医院、工厂、家庭常用的季铵盐类消毒剂，杀死细菌，却不能消除耐药基因，在消毒的同时还促进了抗菌药物耐药性的发展和传播[7]。南京大学环境学院的马黎平等的研究证明了常用的污泥法处理城市废水不能消除反而促进了带有耐药基因整合子的扩散[8]。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。3.抗菌药物诱导的细菌SOS反应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。昀近，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(Fentonreaction)，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，昀终导致细胞死亡。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[11]。在此过程中，无论是抗菌药物作用于靶位DNA产生的直接损伤，还是随后产生的羟自由基等对DNA的间接损伤，都Copyright©2013Hanspub84细菌DNA损伤诱导反应(SOS反应)在控制细菌耐药性中的作用Copyright©2013Hanspub85Figure1.Commonmechanismofcelldeathinducedbybactericidalantibiotics[9]图1.抗菌药物通用作用机制[9]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[14]。诱导途径主要有两种，即依赖RecA辅蛋白酶活性的途径和不依赖RecA的通用应激反应途径。依赖于RecA的SOS反应诱导途径主要是利用其辅蛋白酶活性，催化包括LexA，噬菌体CI以及UmuC的自裂解，启动诱导SOS反应。比如大肠杆菌细胞的SOS反应诱导中，RecA蛋白和LexA蛋白起主要调控作用。正常状态下，LexA以二聚体的形式结合到启动子DNA上，抑制着大约43个包括RecA和LexA在内的SOS诱导基因的表达[14]。当细胞DNA受到损伤时，RecA通过和单链DNA(ssDNA)的结合而得到活化。活化的RecA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[12]，这一点已经有实验结果可以证明，比如，喹喏酮类抗菌药物可以在大肠杆菌中诱发SOS反应。而在霍乱弧菌中，包括喹诺酮类，氨基糖苷类，四环素和氯霉素等抗菌药物都可以诱导细胞内的SOS反应[12]。SOS反应的诱导增强了细菌修复损伤DNA的能力，弱化抗菌药物的影响。因此Kohanski在提出抗菌药物通用作用模型时，指出针对参与启动DNA损伤反应蛋白(比如RecA)的研究将有利于加强抗菌药物的使用效果，抑制细胞内的SOS反应可以明显提高抗菌药物敏感性[13]。细菌DNA损伤诱导反应(SOS反应)在控制细菌耐药性中的作用通过其辅蛋白酶活性催化LexA自裂解，从而使SOS基因释放并表达。大多数SOS基因编码DNA重组和修复蛋白，可以修复DNA损伤。修复完成后，通用损伤产物ssDNA消失，RecA失去辅蛋白酶活性，导致LexA自裂解减少，重新形成二聚体结合到启动子DNA上，继续抑制SOS基因表达。不依赖于RecA的SOS诱导反应是指通过细胞内DNA通用信号传导途径，调控相应SOS蛋白的转录。比如β内酰胺类药物可以通过DpiA/B双组分信号传导体系，直接诱导大肠杆菌细胞的SOS反应。调节蛋白HU能够直接促进RpoS的转录或者通过竞争性替换LexA蛋白启动细菌SOS反应[15-17]。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[12]。4.SOS反应和耐药性的发生和传播有关细菌的耐药性根据是否遗传可以分为非遗传耐药性(NoninheritedResistance)和可遗传耐药性(InheritedResistance)。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