谷氨酸和组氨酸代谢途径调控鲍曼不动杆菌抗生素耐受性与致病机制的前沿研究

为解决鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）在抗生素治疗下的存活及致病机制不明问题，首尔国立大学研究人员开展其代谢途径相关研究。结果发现谷氨酸和组氨酸代谢途径分别调控其抗生素耐受性和致病过程，该成果为研发新疗法提供方向，值得一读。

　　

首尔国立大学医学院生物医学科学系（Department of Biomedical Science, College of Medicine, Seoul National University）的研究人员 Ho Seok Sim 等人在《BMC Microbiology》期刊上发表了题为 “Regulation of antibiotic persistence and pathogenesis in Acinetobacter baumannii by glutamate and histidine metabolic pathways” 的论文。这篇论文在细菌代谢与致病机制研究领域意义重大，为攻克耐药菌感染难题提供了全新的思路和潜在的治疗靶点，有望推动新型抗菌药物的研发进程。

研究背景

在生命的微观世界里，细菌时刻面临着各种环境挑战。当病原菌感染宿主时，它们必须迅速调整自身代谢，以适应新环境并成功致病。然而，长期以来，科学家们对病原菌在感染过程中，究竟是哪些特定的代谢途径在发挥作用，以及它们如何响应环境变化这一关键问题知之甚少。

鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii），这个无处不在的机会致病菌，频繁引发医院获得性感染，给全球公共卫生带来了巨大威胁。世界卫生组织（WHO）已将多重耐药的鲍曼不动杆菌列为重点关注的病原体，迫切需要创新的治疗方法来应对这一挑战。尽管目前已经明确了鲍曼不动杆菌的一些耐药机制，比如抗生素降解和靶点修饰，但在抗生素治疗下，它如何调控自身代谢途径以维持存活，仍然是一个未解之谜。此外，人们对于鲍曼不动杆菌在宿主先天免疫细胞内的存活机制也了解有限。因此，深入研究鲍曼不动杆菌的代谢途径，揭示其调控抗生素耐受性和致病机制的奥秘，成为了当下科研领域的迫切需求。

研究方法

1. 代谢物分析技术：研究人员精心挑选了包括大肠杆菌 K - 12（Escherichia coli K - 12）、致病性大肠杆菌 O157:H7（Escherichia coli O157:H7）、铜绿假单胞菌 PAO1（Pseudomonas aeruginosa PAO1）和鲍曼不动杆菌 ATCC 17978（Acinetobacter baumannii ATCC 17978）在内的四种革兰氏阴性菌。他们运用超高效液相色谱 / 四极杆飞行时间质谱（ultraperformance liquid chromatography/quadrupole time-of-flight mass spectrometry）技术，对细菌的代谢物进行全面剖析。这种技术就像是给细菌的代谢物做了一次 “高清扫描”，能够精准地识别和分析各种代谢物。同时，通过多元统计分析（multivariate statistical analysis），尤其是偏最小二乘法判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS - DA），对代谢物数据进行深入挖掘，找出不同细菌代谢物之间的差异和规律。
2. 基因分析方法：为了探寻鲍曼不动杆菌独特代谢物背后的基因秘密，研究人员开展了比较基因组分析（comparative genomic analysis）。他们从京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）数据库中筛选出可能与鲍曼不动杆菌独特代谢物合成相关的基因或蛋白质，然后利用核苷酸和蛋白质基本局部比对搜索工具（Basic Local Alignment Search Tool，BLAST），将这些基因与其他细菌的基因组进行比对，从而找出鲍曼不动杆菌特有的基因序列。
3. 突变菌株构建：为了验证特定代谢途径对鲍曼不动杆菌致病机制和抗生素耐受性的影响，研究人员构建了一系列突变菌株。对于某些基因，他们采用无标记基因缺失方法（markerless gene deletion method）；而对于另一些基因，则运用一步中断法（one - step disruption method）。通过这种方式，精准地敲除目标基因，观察细菌在生理功能上的变化。
4. 功能验证实验：研究人员进行了抗生素耐受性实验（Antibiotic persistence assay）和巨噬细胞内存活实验（Intramacrophage survival assay）。在抗生素耐受性实验中，他们将细菌培养至特定阶段后，加入不同的抗生素，如诺氟沙星（norfloxacin）、粘菌素（colistin）、庆大霉素（gentamicin）和环丙沙星（ciprofloxacin），然后定时检测细菌的存活情况，以此评估细菌的抗生素耐受性。在巨噬细胞内存活实验中，他们利用小鼠来源的巨噬细胞 J774A.1，让鲍曼不动杆菌感染巨噬细胞，在不同时间点检测细胞内细菌的存活数量，探究细菌在巨噬细胞内的存活机制。

研究结果

1. 鲍曼不动杆菌独特的代谢物产生：通过 PLS - DA 分析，研究人员发现鲍曼不动杆菌的代谢物模式与其他细菌截然不同，它在所有的 PLS - DA 图中都占据着独特的象限，这表明其拥有独一无二的全球代谢组模式。进一步分析发现，鲍曼不动杆菌能产生特殊的氨基酸衍生物和脂质代谢物。像苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）、谷氨酸（glutamic acid）衍生物，以及脯氨酸（proline）、亮氨酸（leucine）衍生的代谢物在鲍曼不动杆菌中高度积累。此外，鲍曼不动杆菌还能生成特定的脂质代谢物，如 3 - O - alphaL - 鼠李吡喃糖基 - 3 - 羟基癸酰基 - 3 - 羟基癸酸及其衍生物。这些独特的代谢物可能在调控鲍曼不动杆菌的特定表型中发挥着关键作用。
2. 独特代谢物合成的基因基础：比较基因组分析显示，鲍曼不动杆菌拥有许多其他细菌基因组中不存在的、与特定代谢物合成相关的酶基因。在氨基酸代谢和脂肪酸合成代谢相关的基因方面，鲍曼不动杆菌与其他细菌存在显著差异。许多参与苯丙氨酸、谷氨酸等氨基酸代谢以及脂肪酸合成的酶基因，在其他细菌基因组中要么不存在，要么相似度极低，这使得鲍曼不动杆菌能够合成独特的代谢物，进而可能影响其生理功能和致病机制。
3. 谷氨酸和组氨酸代谢途径的关键作用：研究人员构建了多个代谢途径相关基因的突变菌株，结果发现谷氨酸代谢途径对鲍曼不动杆菌的抗生素耐受性至关重要。当敲除谷氨酸脱氢酶（glutamate dehydrogenase，gdhA）、谷氨酸消旋酶（glutamate racemase，murI1）、天冬氨酸转氨酶（aspartate aminotransferase，aspB）和天冬氨酸消旋酶（aspartate racemase，racD）等与谷氨酸代谢密切相关的基因后，在诺氟沙星处理 6 小时后，细菌的存活率显著下降。而且，这种现象并非诺氟沙星或针对 DNA 促旋酶的抗生素所特有，在粘菌素和环丙沙星处理下，ΔgdhA突变菌株的耐受性也明显降低。与之形成对比的是，敲除其他代谢途径的基因，如 3 - 羟基异丁酸脱氢酶（3 - hydroxyisobutyrate dehydrogenase，mmsB）、3 - 氧代酰基 - [酰基载体蛋白] 合酶 II（3 - Oxoacyl - [acyl - carrier - protein] synthase II，fabF）、组氨醇 - 磷酸氨基转移酶（histidinol - phosphate aminotransferase，hisC）、奎宁酸脱氢酶（quinate dehydrogenase，quiA）和另一种谷氨酸消旋酶（murI2），对鲍曼不动杆菌在诺氟沙星处理下的抗生素耐受性没有显著影响。此外，gdhA突变体携带表达gdhA基因的多拷贝质粒后，细菌的存活率明显提高，这进一步证明了谷氨酸代谢途径在维持鲍曼不动杆菌抗生素耐受性中的重要作用。

在巨噬细胞内存活实验中，研究人员发现敲除hisC基因会使鲍曼不动杆菌在巨噬细胞内的存活率在感染 6 小时后显著增加，约为野生型的四倍。当给敲除hisC基因的菌株补充携带hisC基因的质粒后，其在巨噬细胞内的存活率恢复到正常水平，这表明组氨酸代谢途径中的hisC基因对鲍曼不动杆菌在巨噬细胞内的存活起着关键的调控作用。

研究结论与讨论

这项研究明确揭示了鲍曼不动杆菌通过谷氨酸和组氨酸代谢途径分别调控抗生素耐受性和致病机制。谷氨酸代谢途径能够促进鲍曼不动杆菌的抗生素耐受性，可能是通过减少中心碳代谢、增强细胞壁构建和应激反应来实现的。比如，谷氨酸脱氢酶 GdhA 可将 α - 酮戊二酸（α - ketoglutarate）转化为谷氨酸，而 α - 酮戊二酸的积累会增强三羧酸循环（TCA cycle）活性，从而减少持留菌（persister bacteria）的形成。同时，参与细胞壁构建的酶 MurI1、AspB 和 RacD 利用 L - 谷氨酸生成 D - 谷氨酸和 D - 天冬氨酸，这些 D 型氨基酸不仅对细胞壁构建至关重要，还能通过激活 RpoS 促进应激反应，进而增强抗生素耐受性。

而组氨酸生物合成途径中的hisC基因则抑制鲍曼不动杆菌在巨噬细胞内的存活。当hisC基因被敲除后，细胞内 L - 组氨酸（L - histidine）含量降低，可能导致细胞内 ATP 水平下降，进而诱导持留菌形成。在巨噬细胞内 L - 组氨酸缺乏的环境中，这种变化使得鲍曼不动杆菌更容易存活。

该研究的发现具有极其重要的意义。它为理解细菌代谢与致病机制之间的关系提供了新的视角，让我们认识到特定代谢途径在调节细菌生理功能方面的关键作用。从应用角度来看，谷氨酸和组氨酸代谢途径有望成为治疗鲍曼不动杆菌感染的潜在靶点，为开发新型抗菌药物指明了方向。目前，抗生素耐药问题日益严重，这项研究为解决这一全球性难题提供了新的思路和潜在方案，有助于推动抗菌药物研发领域的进一步发展，对保障人类健康具有重要的现实意义。