《科學》：耐藥菌真是太猛了！科學家首次發現，超級細菌MRSA竟用獨特的分裂方式征服抗生素丨科學大發現

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支原體又卷土重來了。

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

很多家長感嘆，現在的孩子太難了，以后要是再感染耐藥支原體，可咋治?。∥彝蝗灰庾R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。據統計，在2019年，耐藥菌在全球范圍內至少導致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致的[1]。然而，科學家對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Simon J. Foster和Jamie K. Hobbs領銜的研究團隊，在國際頂級期刊《科學》上發表了一篇重磅研究成果[2]。

他們借助于原子力顯微鏡，發現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合蛋白（PBPs，主要是PBP1和PBP2），抑制細胞壁中肽聚糖的組裝發揮殺菌作用。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，科學家發現了MRSA耐藥的潛在機制，原來MRSA中出現了一個與大多數β-內酰胺類藥物親和力較低的青霉素結合蛋白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，他們發現高度耐藥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）的基因發生錯義突變，即所謂的rpo*突變，會讓MRSA的耐藥水平發生飛躍式變化[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，Foster與實驗物理學家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構特征，為抗生素的研發尋找靶標[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*）。

顯微成像結果顯示，在沒有甲氧西林的情況下，SH1000和低耐藥水平MRSA表現相似。具體來說，它們所有區域的細胞壁內表面都由致密的網狀肽聚糖組成；細胞分裂后新暴露的隔膜外表面表現出特征性的同心環狀肽聚糖結構，而遠離分裂部位的細胞外表面則由開放的網狀肽聚糖結構組成。

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，而是呈現出致密的網狀結構，而且細胞壁變得更薄了；而SH1000則表現出細胞壁破裂，細胞死亡。

對于高耐藥水平MRSA而言，在沒有抗生素的條件下，細胞壁的結構也跟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細胞壁內表面保持了致密的肽聚糖網狀結構，沒有出現穿孔；此外，在大多數情況下，隔膜增厚，而且新分裂的細胞外表面完全沒有同心環肽聚糖結構。

▲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，隔膜肽聚糖同心環是幾種革蘭氏陽性細菌的特征[5]，但是經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肽聚糖同心環，而是由孔徑較小的無序致密網狀結構。

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，發現MRSA菌株在應對抗生素挑戰時，隔膜肽聚糖結構的變化是一致的。

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

在后續的研究中，Foster/Hobbs團隊進一步細化了高耐藥水平MRSA出現的關鍵兩步。

第一步是獲取PBP2a，因為PBP2a可在β-內酰胺類抗生素存在的情況下補償PBP2轉肽酶失活，但PBP2a不能補償PBP2的轉糖基化酶活性，因此需要二者協作。

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是由PBP1轉肽酶活性生成的，抗生素的存在也抑制了PBP1轉肽酶活性，而rpo*突變的出現彌補了PBP1轉肽酶活性，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。

▲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，同時發現了一種新的細胞分裂方式。這一發現對于復敏抗生素或者開發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