抗菌药物耐药性的分子生物学机制(一)

1、抗菌药物耐药性的分子生物学机制(一)    关键词：生物学机制抗菌药物产生耐药性，为人类战胜病原菌提出了一个严峻的挑战。细菌耐药的机制非常复杂，通常认为涉到以下几个方面:（1）产生灭活酶和钝化酶。细菌能产生可破坏抗生素或使之失去抗菌作用的酶，使药物在作用于菌体前即被破坏或失效。（2）抗菌药物渗透障碍 1 。细菌外层的细胞膜和细胞壁结构对阻碍抗生素进入菌体有着重要作用。膜上有亲水性的药物通过蛋白，称外膜蛋白，主要有2种:分子较大的为OmpF和分子较小的为OmpC;最近又发现了第三种蛋白PhoE。外膜蛋白的缺失可导致细菌耐药性的发生，在某些细菌的外膜上还有特

2、殊的药物泵出系统，使菌体内的药物浓度不足以发挥抗菌作用而导致耐药。（3）药物使用靶位的改变。菌体内有许多抗生素结合的靶位，细菌可通过靶位的改变使抗生素不易结合，是耐药发生的重要机制。（4）代谢途径改变。绝大多数细菌不能利用已有的叶酸及其衍生物，必须自行合成四氢叶酸。肠球菌属等某些营养缺陷型细菌能利用外源性胸苷或胸腺嘧啶，表现出对磺胺和甲氧嘧啶等药物的耐药。从分子生物学角度认识细菌的耐药机制，过去主要集中在基因突变的研究中，认为基因突变的积累是细菌产生耐药性的重要机制。但近年来研究发现，没有接触过抗生素的病原菌，对抗生素也具有抗性，耐药性具有转移的特点。整合子（integron）被认为是抗性基因

3、在水平传播的重要因子 3 ，由两部分组成:5与3端保守区域（conserved segments，简称CS）以及中间的基因簇，选择性地整合到整合子上而获得耐药性。通过整合子的整合作用，抗性基因之间能够互相交换，再借助于转化、转导与接合作用，使得耐药性在畜禽与畜禽、畜禽与人类、人类与人类之间的病原菌上广泛传播，给人类健康造成严重威胁。1 细菌对-内酰胺类抗生素的耐药机制-内酰胺类抗生素为高效杀菌剂，对人的毒性极小。其中革兰阳性细菌产生的耐药主要通过青霉素结合蛋白（PBP）的改变介导，而革兰阴性细菌产生的耐药则主要通过-内酰胺酶介导。1.1 PBP改变介导的细菌耐药 青霉素结合蛋白（penicil

4、lin binding proteins，PBP）位于细菌细胞质膜外壁，是细胞壁肽聚糖合成后期具有转肽酶、转糖苷酶及羧基肽酶等作用的一系列酶，也是-内酰胺类抗生素的作用靶点。当-内酰胺类抗菌药物与PBP结合后，PBP便失去酶的活性，使细胞壁的合成受到阻碍，最终造成细胞溶解、细菌死亡 8 。-内酰胺类抗生素的抗菌活力，一是根据与PBP亲和性的强弱，二是根据其对PBP及其亚型的选择即对细菌的作用特点而决定的。PBP基因的变异，使-内酰胺类抗生素无法与之结合或结合能力降低，是形成耐药的根本原因。PBP改变包括获得的对抗生素低亲和力的PBP和本身发生修饰导致对抗生素的亲和力下降的PBP，前者主要发生在

5、葡萄球菌中，后者主要发生在肺炎链球菌中。PBP按分子量的不同分为5种，每种又有若干亚型。PBP1A、PBP2X、PBP2B的基因排序已经证明13个位点基因变异，位点变异造成PBP结构变化，使-内酰胺类抗生素不易与之结合，使其之间的亲和力下降，导致抗菌力低下。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）对所有-内酰胺类抗生素均耐药，其原因是由于获得了未知起源DNA编码的新的耐-内酰胺PBP，这种PBP由细菌染色体mecA基因编码，被命名为PBP2a。mecA基因的表达受多种因素的影响，包括pH、温度、渗透性、上游调节序列和抗生素的诱导。mecA的转录有3种形式:非诱导持续表达型，此型MRSA缺少mecR

6、1-mecI基因和-内酰胺酶质粒;即刻诱导型，此型缺少mecR1-mecI基因而具有-内酰胺酶质粒，通过-内酰胺酶的调控基因来调控mecA的表达;延迟表达型，此型MRSA具有mecR1-mecI基因，其耐药性在甲氧西林诱导后48h才能充分表达，临床常规药敏试验常误将此型菌株判断为敏感，因此具有重要的临床意义。1.2 -内酰胺酶介导的细菌耐药 现已发现4种新的临床上重要-内酰胺酶 4 :超广谱-内酰胺酶（extended-spectrum-lactamases，ESBLs）;金属-内酰胺酶;质粒介导的AmpC-内酰胺酶;OXA型-内酰胺酶。TEM族超广谱-内酰胺酶:TEM-1是革兰阴性菌最常见的

7、-内酰胺酶。超过90%大肠埃希氏菌对氨苄西林耐药的原因是由于其产TEM-1。越来越多耐氨苄西林和青霉素的流感嗜血杆菌，淋病奈瑟氏球菌也产TEM-1。TEM-1能水解青霉素和头孢噻吩、头孢拉定等第一代头孢菌素。发生在个别位点的氨基酸取代对ESBLs表型至关重要。Glu-104Lyx，Arg-164Ser/His，Gly-238Ser及Glu-240Lys。SHV族超广谱-内酰胺酶:产SHV-1最常见的细菌是肺炎克雷伯杆菌。肺炎克雷伯杆菌质粒介导的氨苄西林耐药的原因超过20%是其产SHV-1。Ser-238Gey及Lys-240Glu是SHV型ESBLs的最常见情况。CTX-M族超广谱-内酰胺酶。

8、近年来，一个新的质粒介导的ESBLs家族CTX-M（以高度水解头孢噻肟为特征）的数量也在不断增加。这类酶主要由鼠伤寒沙门菌、大肠埃希菌或肠杆菌属某些种产生，包括CTX型酶和Toho-1，2。CTX-M型酶对头孢噻肟、头孢他啶的水解能力比对青霉素强，相对头孢他啶来说，更优先水解头孢噻肟。尽管这族酶中的一些也能水解头孢他啶，但通常不引起临床耐药。所有CTX-M族酶都有Ser 237 ，提示该位点对其超广谱酶活性起重要作用。驱动ESBLs进化的选择压力通常要归因于氧亚胺-内酰胺类抗生素的使用强度。-内酰胺类抗生素的强选择压力不仅对ESBLs基因的编码区而且对启动子、拷贝数以及其它基因起作用。这些改变

9、可明显增加菌株的耐药水平和扩大底物谱。细菌高产ESBLs通常是诸如启动子上调突变，可转座因子插入启动子区域附近，ESBL基因拷贝数增加或产生2种不同的ESBLs等原因造成。目前，已发现不少菌株产ESBL同时伴有AmpC酶去阻遏突变。产ESBL菌株常常也对氨基糖苷类、喹诺酮类等其它类抗菌药物耐药。编码ESBLs的基因常与编码氨基糖苷类纯化酶的基因在同一接合性质粒上，因而可以一起在菌株间传播。这意味着只使用其中一类抗菌药物便可产生对2类不同药物耐药性的共选择。OXA型酶的耐药性与整合子有关。大多数肠杆菌科细菌和假单孢菌中的OXA型酶位于可转移质粒上，质粒能携带可移动元件转座子。有些转座子只编码单个

10、耐药性，编码多重耐药的质粒和转座子常常还有另一基因元件，即整合子。整合子是一个遗传结构，可位于质粒、染色体或转座子上，具有整合独立的耐药基因盒的能力。基因盒中存在整合子可解释为什么质粒可积累不同的耐药基因，为什么OXA型酶常与其他抗生素耐药性关联。2 细菌对氨基糖苷类抗生素的耐药机制氨基糖苷类抗生素因其具有浓度依赖性快速杀菌作用、与-内酰胺类抗菌药物产生协同作用、细菌的耐药性低、临床有效和价廉等优点，它仍是目前临床常用药物，广泛用于革兰阴性杆菌所致的败血症、细菌性心内膜炎和其它严重感染。其作用机制是通过抑制细菌细胞膜蛋白质的合成并改变膜结构的完整性而发挥强有力的杀菌作用。对生长繁殖旺盛的细菌，

11、氨基糖苷类通过细菌的细胞外膜扩散后，与其内（细胞质）膜上具有跨膜摄取功能的一种能量依赖性（限速）转运系统“I相转运”蛋白呈低亲和力结合;敏感细菌与其胞膜相连的核蛋白体30S亚基的高亲和力位点上不断集聚药物，由此触发第二种能量依赖性转运系统“II相转运”而明显加速药物在细胞内的集聚，抑制细菌蛋白质合成，破坏细胞质膜结构，导致细菌内容物外漏直至细菌死亡 8 。细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的机制牵涉到以下几个方面:2.1 药物摄取的减少 氨基糖苷类药物主要通过寡核系统转运至体内，寡核结合蛋白（oligopeptide binding protein，OPPA）是寡核转运系统的重要组成部分，而大肠

12、埃希氏菌耐卡那霉素突变株的OPPA数目明显减少，有的突变株甚至不含OPPA。前者是因为在翻译水平上OPPA发生了OPPA合成的减少，后者则是由于编码OPPA的基因OPPA发生了无义突变。2.2 酶的修饰钝化作用 这是细菌对氨基糖苷类抗生素发生耐药的主要机制。氨基糖苷类药物修饰酶催化氨基糖苷类药物氨基或羟基的共价修饰，使得氨基糖苷类药物与核糖体的结合减少，促进药物摄取EDP-II也被阻断，因而导致耐药。根据反应类型，氨基糖苷类药物修饰酶有N-乙酰转移酶（N-acetyltransferases，AAC）、0-核苷转移酶（0-nucleotidyltransferase，ANT）和0-磷酸转移酶（

13、0-phosphotransferases，APH）。这些酶的基因决定族即使在没有明显遗传关系的细菌种群间也能传播。AAC以乙酰辅酶A为供体，乙酰化氨基糖苷类药物的1、3、6、2位氨基，而APH和ANT两者均以ATP为供体，APH作用于氨基糖苷类药物的3位和4位、3和6位-OH，ANT作用于氨基糖苷类药物的2、4位和3位、6位、9位-OH使之磷酸化，从而使氨基糖苷类药物钝化。2.3 核糖体结合位点的改变 链霉素作用于核糖体30S亚基，导致基因密码的错读，引起mRNA翻译起始的抑制和异常校读。大量研究表明编码S12核糖体蛋白的rplS基因及编码16S rRNA的rrs基因突变都会使核糖体靶位点改

14、变，使细菌对链霉素产生显著水平的耐药。S12蛋白是30S亚基中的一个组分，主要控制链霉素与30S亚基的结合，它可以稳定由16S rRNA所形成的高度保守的假节结构，Rpsl中氨基酸的置换将会影响16S rRNA的高级结构，导致对链霉素的耐药，而16S rRNA结构的改变又破坏了16S rRNA与链霉素的相互作用。3 细菌对大环内酯类抗生素的耐药机制大环内酯类抗生素主要通过与细菌核糖体结合，抑制细菌蛋白质合成，而发挥抗菌作用。细菌核糖体由大亚基（50S）、小亚基（30S）构成，亚基中mRNA及蛋白质的改变，可引起与抗菌药物亲和力的变化，而产生耐药性。3.1 靶粒修饰 大环内酯类抗生素产生耐药常常

15、因为获得了erm基因（红霉素耐药的甲基化酶），erm基因编码产生的酶能将23S rRNA上一个特异性腺嘌呤残基N6位双甲基化，甲基化改变了核糖体的构象，通过使抗生素结合位点发生重叠而降低对抗生素的亲和力。核蛋白体的甲基化亦导致对大环内酯类和林可霉素交叉耐药。对各种临床菌株运用核酸序列分析和DNA-DNA杂交技术至少可以得到9种不同的erm基因，其中部分还有交叉性。可将临床分离株划分为4个杂交群:ermA、ermAM、ermC、ermF。不同杂交群产生的甲基化酶的氨基酸序列高度一致，提示它们可能来源于一个共同的亲代耐药株。3.2 抗生素灭活与活性泵出 7 靶粒修饰是对结构不同的抗生素的耐药，抗生

16、素的酶灭活仅导致对结构相同药物的耐药。从口服红霉素的胃肠炎患者身上可分离到对红霉素高度耐药的肠杆菌，这些耐药株通过产生红霉素酯酶或通过2-磷酸转移酶催化的磷酸化反应破坏大环内酯类药物的酯环。现已发现由ereA和ereB基因编码的酯酶I和II，在对红霉素高度耐药的肠杆菌中亦发现ereA和ereB的复合物（编码rRNA甲基化酶）。另有约20%的肺炎链球菌和相当数量的化脓性链球菌对大环内酯类药物耐药，其耐药机制不是酶灭活作用，而是存在编码产生抗生素泵出系统的mefE和mefA决定因子。金黄色葡萄球菌和部分凝固酶阴性葡萄球菌中msrA基因骗码产生一种具有转运功能的蛋白，导致对大环内酯类抗生素耐药。4

17、细菌对喹诺酮类抗菌药物的耐药机制喹诺酮类药物的作用机制主要是通过抑制DNA拓扑异构酶而抑制DNA的合成，从而发挥抑菌和杀菌作用。细菌DNA拓扑异构酶有、，分2大类:第一类有拓扑异构酶、，主要参与DNA的松解;第二类包括拓扑异构酶、，其中拓扑异构酶又称DNA促旋酶，参与DNA超螺旋的形成，拓扑异构酶则参与细菌子代染色质分配到子代细菌中。但拓扑异构酶和对喹诺酮类药物不敏感，喹诺酮类药物的主要作用靶位是DNA促旋酶和拓扑异构酶。革兰阴性菌中DNA促旋酶是喹诺酮类的第一靶位，而革兰阳性菌中拓扑异构酶是第一靶位 6 。DNA促旋酶通过暂时切断DNA双链，促进DNA复制转录过程中形成的超螺旋松解，或使松弛

18、DNA链形成超螺旋空间构型。喹诺酮类药物通过嵌入断裂DNA链中间，形成DNA-拓扑异构酶-喹诺酮类3者复合物，阻止DNA拓扑异构变化，妨碍细菌DNA复制、转录、以达到杀菌目的。4.1 作用靶位的改变 编码组成DNA促旋酶的A亚单位 和B亚单位及组成拓扑异构酶的parC和parE亚单位中任一亚基的基因发生突变均可引起喹诺酮类的耐药性。在所有的突变型中，以gryA的突变为主，主要为Thr-83Ile，Ala和Asp-87Asn，Gly，Thr。两者约占75%以上，而其它的突变型罕见。GyrA双点突变仅发生在喹诺酮类高度耐药的菌株中，这是因为gyrA上的83和87位的氨基酸在提供喹诺酮类结合位点时具

19、有重要的作用。而gyrB的突变株则较gyrA的突变少见，主要为Glu-470Asp，Ala-477Val和ser-468Phe。parC的突变主要为Ser-87Leu，Trp。但值得注意的是所有存在parC改变的发生是在gyrA突变之后才发生的，在同时具有gyrA和parC突变的菌株中，以gryA上的Thr-83Ile和parC上的Ser-87Leu类型为最多见。parE的突变型为Asp-419Asn、Ala-425Val，但现在parE出现突变极为罕见（3/150）。4.2 膜通透性改变 喹诺酮类药物与其它抗菌药物一样，依靠革兰阴性菌的外膜蛋白（OMP）和脂多糖的扩散作用而进入细菌体内，外膜

20、蛋白与脂多糖的变异均可使细菌摄取药物的量减少而导致耐。已发现多种喹诺酮耐药性外膜突变株如norB、norC、nfxC、nfxB和多种抗生素耐药的marA等。大肠埃希氏菌通透喹诺酮类药物的孔蛋白主要为OmpF和OmpC。在喹诺酮类药物作用下，发生变异而缺失OmpF的菌株，药物不能进入细胞出现耐药性，且常与四环素、氯霉毒等抗生素交叉耐药。5 细菌对糖肽类抗生素的耐药机制糖肽类抗生素（万古霉素和肽可霉素）被用作治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA）和耐甲氧西林表皮葡萄菌（MRSE）等多种耐药G + 菌株感染的首选药物，曾一度被誉为人类对付顽固性耐药细菌的最后一道防线。糖肽类抗生素主要作用于细胞壁（U

21、DP-胞壁酸五肽）前体D-丙氨酸-D-丙氨酸，以阻断肽聚糖合成中的转糖基酶、转肽酶及D，D-羧肽酶的作用，从而阻断了细胞壁的合成，而导致细菌死亡。革兰阴性菌因糖肽类抗生素不能穿透细胞膜而天然耐药。随着耐万古霉素肠球菌（vancomycin-resistant enterococcus，VRE）的出现，抗生素的最后一道防线正面临着崩溃。VRE不但对万古霉毒耐药，而且其耐药因子能转移给其它G + 菌株（如MRSA和MRSE等） 2 。这种获得性耐药的主要表型是VanA和VanB型。 5.1 VanA型耐药因子 VanA型主要存在于粪肠球菌和屎肠球菌，对其耐药机制研究得比较清楚。VanA型耐药因子是

22、一个基因簇，包括抗性基因和调节基因（能调节抗性基因的表达，属于双元件调控系统）两部分。抗性基因由vanH基因的P R 启动子启动子转录。VanA型的基本耐药机制是:当VRE所在环境中有万古霉素等糖肽类抗生素存在时，位于膜上的VanS蛋白接受信号后发生自我磷酸化而激活，并将信号传递给细胞质中VanR蛋白使其活化。活化的VanR蛋白的DNA结合域与调节基因vanR和抗性基因vanH的启动子P R 和P H 的调节区相结合，从而激活抗性基因和调节基因的转录活性，使其大量表达。表达产物在脱氢酶VanH和连接酶VanA作用下形成D-Ala-D-Lac二羧肽，取代D-Ala-D-Ala二肽前体参与VRE的细胞壁合成，就这样VRE形成的细胞壁肽聚糖前体小肽就以D-Ala-D-Lac作为末端，从而极大地降低了各种以D-Ala-D-Ala为靶点的抗生素的亲和力，使VRE产生耐药性 5 。5.2 VanB型耐药因子 VanB型耐药型主要存在于粪肠球菌和屎肠球菌，具有较高的万古霉耐药性，其耐药机制和VanA型类似。VanB型耐药因子也是一个基因簇，包括耐药基因和调节基因。抗性基因由vanY B 、vanW、vanH B 、vanB和vanX B 等5个基因组成，调控基因分别由vanR B 和vanS B 组成。抗性基因由vanY B 基