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第6章 结核分枝杆菌耐药性分子(2)

1996年,Wilson等报道了另一个与结核杆菌INH耐药性有关的基因,即ahpC基因。ahpC基因全长588bp,其编码烷基过氧化氢还原酶(AhpC),AhpC蛋白具有解除过氧化氢毒性的作用。Ferrari等(1999年)也报道结核杆菌可以抵抗宿主细胞内有毒成分——过氧化氢、超氧阴离子和单个氧分子等,而AhpC在其中发挥着重要作用。临床研究表明,在katG基因缺失的菌株中发现同时存在ahpC调节基因的突变,导致ahpC基因表达增加,这可能是菌体内丧失过氧化氢酶活性后的一种代偿性选择的结果。实验研究表明,将ahpC基因转入耐多药结核杆菌并不能恢复后者对结核杆菌的敏感性,提示ahpC基因可能对INH耐药不产生直接影响,但由于katG功能丧失往往伴随ahpC调节基因的突变所导致的AhpC表达上升,故它可作为监测INH耐药的一个有用指标。Kelley等(1997年)利用克隆测序分析,发现在过氧化物酶阴性、katG基因变异的耐INH菌株,其ahpC基因调节序列启动子区域-6bp,-9bp,-10bp,-12bp,-30bp,-42bp处有C→T突变存在,并与转录的精确起始有关;但在过氧化物酶阳性、无katG基因变异的耐INH菌株,却未见序列的变异。也提示ahpC基因突变可不直接导致耐药,而仅作为katG基因突变的补充。

耐链霉素与rpsL和rrS基因突变

链霉素(Streptomyces,SM)于1944年由Waksman从灰色链霉菌的培养液中首先提取出来。SM属氨基糖甙类抗生素,对多种革兰氏阴性菌及葡萄球菌的某些菌株有效,对结核菌的作用最为突出,为一线抗结核药物。SM的发现和应用开创了结核病的现代化疗时代。但使用不久就发现了耐药性现象。其后的研究发现链霉素作用在细菌核糖体上,是一种在蛋白质合成水平上抑制原核生物生长的抗生素。其主要作用部位在核糖体30S亚基(由21种核糖体蛋白和16SrRNA组成)上,通过结合部位的结构变化,引起遗传密码错读,翻译启动的抑制及校对的异常,结果合成无功能的蛋白质,从而发挥抗菌作用。有报道,以结核菌标准株(H37Rv)为对照,32株结核菌临床分离株中,10株SM敏感株的rpsL基因未见SSCP泳动异常,22株SM耐药株中,16株(72.7%)的rpsL基因出现SSCP泳动异常。因此,rpsL基因突变是结核菌对链霉素产生耐药性的重要分子机制,PCR-SSCP银染技术可能成为快速检测结核菌SM药物敏感性的新方法。

通过核糖体亚基重组试验,发现链霉素结合在大肠杆菌的30S亚基的S12蛋白上,造成氨基酸掺入的错译,异常蛋白产生,阻碍了正常代谢。随后的实验证明,SM对结核杆菌具有相同的作用机制。推测核糖体30S亚基中的核糖体蛋白S12的正常作用是维持读码过程中的一些轻微的不准确性,而一旦S12蛋白发生突变,可能严格要求核糖体只使用与每一密码对应的氨酰-tRNA,更准确地表达mRNA上的每一个密码,从而抑制了SM诱导的遗传密码错读而使结核杆菌产生耐药。因此,30S亚基S12蛋白的编码基因rspL突变是结核杆菌对链霉素产生耐药性的主要机制。

研究同时发现,16SrRNA编码基因的突变也介导其对链霉素的耐药性。16SrRNA530环区为tRNA、核糖体相互作用,既是译码过程的受位(A位)场所,也是整个16SrRNA基因中高度保守的序列之一。530发夹环上的514-516位碱基(5’-GCC)与毗邻的510凸起环上的495-497位碱基(5’-GGC)之间碱基相互配对产生假结结构。该结构处于RNA重要功能区,包括内含子的自动连接、mRNA表达的自动调节、译码译读和终止密码的阅读通过等。16SrRNA530环区高度保守,在二级结构中与915区毗邻。SM与16SrRNA结合的部位就在905位周围区域。当16SrRNA编码基因rrs在530环区和915区域发生突变,就会破坏SM的结合而导致结核杆菌耐药。

耐乙胺丁醇与embB突变

乙胺丁醇(Ethambutol,EMB)是1961年发现的一种具有抗分枝杆菌活性的合成药物。是具有广谱抗分枝杆菌活性的一线抗结核合成药物,是和INH、RFP、SM、PZA联合治疗结核病的药物之一,被广泛用于治疗鸟分枝杆菌、堪萨斯分枝杆菌、蟾蜍分枝杆菌、海分枝杆菌和玛尔摩分枝杆菌感染,所以,它比只对结核杆菌有效的INH应用更广泛。分枝杆菌耐EMB的分子机制尚不十分清楚,目前国内外学者都在致力于这方面的研究。

大多数研究都提示EMB对分枝杆菌的细胞壁结构有损伤性改变。EMB是一种阿拉伯糖类似物,作用于靶分子阿拉伯糖基转移酶,抑制阿拉伯糖基聚合入阿拉伯半乳聚糖,从而影响了细菌细胞壁分枝菌酸阿拉伯半乳聚糖肽聚糖复合物的形成,引起细菌细胞形态学改变,最终导致细菌死亡;同时也使靶分子在细胞内的药物(如RFP)更容易进入细胞,因而EMB与RFP联合用于抗结核治疗时具有协同作用。

分枝杆菌耐EMB与阿拉伯糖基转移酶的编码基因embCAB操纵子突变有关。该操纵子由embC、embA、embB组成emb基因,是3个同源开放阅读框架(ORFs),约10201bp,编码阿拉伯糖基转移酶。Belanger等研究证实了2个基因位点embA、embB是编码鸟分枝杆菌阿拉伯糖基转移酶的,其前有一EmbR转录调节区,其基因序列见GenBank U66560;而编码耻垢分枝杆菌、结核杆菌、麻风分枝杆菌EMB作用靶位的3个基因(embC、embA、embB)已被克隆、测序,并对其分子遗传学特征做了进一步研究。Telenti等假设embCAB是完整的膜蛋白,带有12个穿膜蛋白和一个C末端大约400个氨基酸的膜周蛋白球形区域,此结构发生变化影响了EMB和embB的相互作用。通过Southern blot分析发现emb基因存在于耻垢分枝杆菌、结核杆菌、麻风分枝杆菌、鸟分枝杆菌,其核苷酸和蛋白的研究显示emb基因的结构功能区与任何非分枝杆菌无同源性。分枝杆菌耐EMB主要与embB基因突变有关。

尽管对EMB的耐药机制已有一定的研究,但由于分枝杆菌耐EMB的分子机制的复杂性,除上所述的以点突变引起的氨基酸置换及Emb蛋白的过度表达外,仍有许多问题值得研究:①耐药株中是否还存在如碱基的缺失、插入或一个菌株两个密码子的同时突变。②我国是否存在对乙胺丁醇敏感但却发生乙胺丁醇embB基因突变的耐多药菌株。③调节embA和embB表达的embR转录调节区在耐EMB临床分离株中是否发生突变。④在不存在基因突变的耐药菌株中有无细胞膜通透性改变。⑤耐药质粒是否存在。在金黄色葡萄球菌、肠道菌等许多细菌中含有质粒介导的耐药因子,分枝杆菌是否也存在此种质粒尚待进一步研究。

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