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为解决铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）感染难题，中国科学院微生物研究所的研究人员开展了以 MexL 为靶点的研究，发现其可调控吩嗪类物质生成和致病力，为抗感染治疗提供新方向。
在微生物的世界里，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）可谓是一个 “麻烦制造者”。它作为一种常见的机会致病菌，常常在医院等环境中引发感染，给免疫功能低下的人群和囊性纤维化患者带来严重威胁。由于其具有独特的耐药机制，不仅能在单细胞水平耐受抗生素，还会形成生物膜来抵御药物攻击，使得感染治疗变得极为棘手，因此被世界卫生组织列为急需研发新型抗生素的重点病原体之一。
在铜绿假单胞菌的众多 “武器” 中，吩嗪类物质中的绿脓菌素（pyocyanin，PYO）尤为突出。PYO 不仅是重要的致病因子，在肺部感染时可介导组织损伤和坏死，还具有广谱抗菌活性，能帮助细菌在多种微生物共存的环境中 “称霸”。此外，它还参与生物膜的形成、影响铁的摄取，甚至在抗生素耐受方面也发挥着作用。研究发现，抗生素触发的 PYO 积累会诱导铜绿假单胞菌产生抗生素耐受性，这无疑让本就艰难的抗感染治疗雪上加霜。因此，寻找有效降低 PYO 生成的方法，成为控制铜绿假单胞菌感染的关键。
为了解开这一难题，中国科学院微生物研究所的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦在一个名为 MexL 的蛋白上，经过深入研究，取得了一系列令人瞩目的成果，为铜绿假单胞菌感染的治疗开辟了新的方向。该研究成果发表于Nature Communications杂志。
研究人员在探索过程中运用了多种关键技术方法。基因编辑技术用于构建铜绿假单胞菌的突变株和互补菌株，通过精确改变基因组成，观察其对细菌表型的影响；蛋白质纯化与结晶技术助力解析 MexL 的晶体结构，从而深入了解其分子机制；分子生物学技术如电泳迁移率变动分析（EMSA）、微量热泳动（MST）等，用于研究蛋白质与 DNA、蛋白质与配体之间的相互作用；细胞生物学和动物模型实验则在细胞和整体水平上评估细菌的致病力和抗生素耐受性等 。
下面让我们来看看具体的研究结果：
- MexL 直接激活吩嗪类物质的生物合成：研究人员构建了 ΔmexJK 和 ΔmexL 突变株，发现 ΔmexL 突变株的吩嗪类物质产量显著降低，与吩嗪生物合成缺失突变株 Δphz 相当，而 ΔmexJK 突变株产量与野生型菌株 PAO1 相似，这表明 MexJK 外排泵不太可能参与吩嗪分泌，而 MexL 对吩嗪生产至关重要。进一步研究发现，MexL 可通过激活 phzM 以及 phz1 和 phz2 基因簇的转录来影响吩嗪生成，并且能直接结合这些基因的启动子区域，这说明 MexL 作为转录激活剂，增强了吩嗪生物合成基因的表达，进而增加了吩嗪的产量。
- 确定 MexL 结合 DNA 的保守基序及作用机制：通过对 mexJ、phz1、phzM 和 phz2 启动子区域进行截短突变和 EMSA 实验，研究人员确定了 MexL 结合的最短区域，并利用 MEME 在线工具分析得出其保守结合基序为 5’-TGTAATTT-3’或其互补序列 5’-AAATTACA-3’。有趣的是，MexL 作为激活剂或阻遏剂，主要取决于其在启动子中的结合位置。此外，MST 分析显示，MexL 与 phz1、phzM 和 phz2 启动子的结合亲和力比与 mexJ 启动子更强。
- PYO 通过 MexL 对自身生产的反馈调节：分子对接分析、体外实验以及体内实验表明，PYO 可作为 MexL 的配体与其结合，干扰 MexL 与 DNA 的结合活性，从而降低 phz1、phzM 和 phz2 的表达，减少 PYO 的合成。这表明 PYO 通过负反馈调节机制，控制自身的合成，避免过度产生。
- 干扰 MexL 功能的抗菌剂可降低 PYO 生成和细菌毒力：鉴于 MexL 对 PYO 生成的重要作用，研究人员将其作为治疗靶点，筛选出四环素（TET）和三氯生（TCS）两种抗菌剂。这两种抗菌剂与 PYO 类似，能与 MexL 结合，干扰其 DNA 结合活性，降低 PYO 生成，减弱细菌毒力。在细胞实验和动物模型中，TET 和 TCS 预处理的 PAO1 菌株感染 A549 细胞后，细胞活力更高，表明细菌毒力降低；同时，TET 或 TCS 预处理还能增强 PAO1 对部分抗生素的敏感性。
- 抗菌剂组合提高小鼠存活率：研究人员通过棋盘法检测抗菌剂组合对 PAO1 的疗效，并在小鼠气管内感染模型中进行验证。结果发现，TET 或 TCS 与临床常用抗生素联合使用，可提高感染铜绿假单胞菌小鼠的存活率。其中，TET<sub>1/2</sub>与环丙沙星（CIP）组合的效果最佳，这表明针对 MexL 的化合物与抗生素联合使用，能有效对抗铜绿假单胞菌感染。
综上所述，该研究揭示了铜绿假单胞菌中一种全新的调控机制，即 MexL 作为双功能调节因子，不仅能抑制 MexJK 外排泵的表达，还能激活吩嗪类物质的生物合成，而 PYO 又可通过与 MexL 的相互作用负反馈调节自身的合成。同时，研究人员发现了 MexL 这一潜在的药物靶点，以及 TET 和 TCS 等可干扰 MexL 功能的抗菌剂，为治疗铜绿假单胞菌感染提供了新的策略，即使用干扰 MexL 功能的药物降低细菌毒力，增强临床抗生素的疗效。此外，MexL 在多种假单胞菌中高度保守，这意味着该研究成果可能为广泛应对铜绿假单胞菌感染提供通用策略，为未来抗感染药物的研发和临床治疗带来新的希望。
