陳鵬、何川課題組Nature Chemical Biology解析細菌耐藥機制

       抗生素使用中所産生的細菌耐藥性尤其是抗生素多重耐藥及交叉耐藥性已成為亟待解決的問題。研究表明通過全局操縱子控制的主動外排機制是細菌産生多重耐藥性（multiple antibiotic resistance）的重要原因之一。其中，多重抗藥性蛋白家族(MarR family)作為轉錄調控蛋白對抗藥性的産生，毒性因子的合成以及其他生理過程起着重要的調控作用。大腸杆菌MarR蛋白作為多重抗藥性蛋白家族的 原型對marRAB操縱子有負調控功能，抑制下遊相關抗藥性基因的表達。以往的研究表明酚類化合物（如水楊酸）以及多種抗生素能夠誘導MarR蛋白去抑制導緻抗藥性的産生。然而這些底物并不能成為MarR激活的生理相關的調控因子。MarR蛋白的真正調控因子(信号)至今仍不确定。
        為了尋找潛在的激活MarR蛋白的信号分子，結合MarR家族其他蛋白的調節機制，我們嘗試篩選了一系列氧化劑和二價金屬離子。結果表明，二價銅離子能夠促使MarR蛋白從結合的啟動子DNA上解離下來。體内實驗也證明二價銅離子是MarR蛋白的調控因子。我們發現水楊酸和其他抗生素（諾氟沙星，氨苄青黴素）引起MarR蛋白的去抑制實際上是經由産生的銅離子信号介導完成。結合一系列生化試驗以及質譜和蛋白質晶體學的研究，我們提出了激活MarR蛋白的分子機制：二價銅離子能夠催化氧化兩個臨近MarR蛋白80位的半胱氨酸形成分子間的二硫鍵，天然的MarR二聚體蛋白由此轉變成二硫鍵穩定的四聚體蛋白并從啟動子DNA上解離下來。
        我們進一步研究了大腸杆菌體内銅離子信号是如何産生的。實驗結果表明水楊酸和臨床廣泛使用的抗生素如氨苄青黴素和諾氟沙星能夠刺激大腸杆菌體内遊離銅離子水平的升高。此外，抗生素的刺激還能夠引起大腸杆菌細胞内膜間隙壓力（envelope stress）的産生并進一步産生有機過氧化物。這些氧化壓力會破壞細胞膜上的銅結合蛋白如NDH-2（NADH 脫氫酶II）和CyoB（細胞色素bo3 泛醌氧化鎂亞基I）最終導緻自由的一價銅離子釋放。一價銅離子在抗生素産生的有機過氧化物和其他活性氧物質的氧化壓力下被氧化成二價銅離子并激活MarR蛋白的去抑制引起大腸杆菌的抗藥性。
        此項研究首次發現二價銅離子是大腸杆菌多重抗藥性蛋白MarR的天然調控因子并将将抗生素産生的銅離子信号和MarR介導的大腸杆菌抗藥性聯系起來。我們的研究表明大腸杆菌能夠利用MarR蛋白直接響應銅離子信号來抵禦抗生素或環境壓力所産生的不利影響。研究論文“The multiple antibiotic resistance regulator MarR is a copper sensor in Escherichia coli” 發表在Nature Chemical Biology雜志。