瞄准超级细菌“毒力开关”,中国学者揭示抗生素新靶点 | Nature 子刊

采薇 采薇 来源:医药魔方
2019-07-10
抗生素

抗生素的大量使用和滥用导致各种耐药病原菌的出现,这使公众的健康面临巨大的威胁,开发新的抗生素也变得越来越迫切。

 

谈及耐药细菌,铜绿假单胞菌(P. Aeruginosa, PA)“赫赫有名”。这种超级细菌为条件致病菌,是医院内感染的主要病原菌之一。患代谢性疾病、血液病和恶性肿瘤的患者,以及术后或某些治疗后的患者易感染此菌。

 

PA强大的环境适应能力及复杂的毒力调控机制是导致其感染后高耐药、高死亡的重要原因。2017年,世界卫生组织将这种臭名昭著的细菌列为急需新药的三种“关键优先病原体”之一。

 

目前,可用于发明新型抗生素的靶点有限,制药行业的药物开发渠道开始枯竭,发现潜在的治疗靶点非常重要。

 

7月3日,香港城市大学的研究人员在Nature Communications上发表文章,揭示了PA的毒力调节机制,为抗生素新药开发确定良好靶点铺平了道路[1]。

 

图片来源:Nature Communications

 

一、寻找良好的抗生素靶点

 

细菌致病性通过包括毒力相关转录因子(Transcriptional factors,TFs)的调控网络介导。TFs是DNA结合蛋白,通过促进或阻断RNA聚合酶向特定基因的募集来控制下游基因的表达。这些TFs与基因启动子结合,并在环境条件下密切协调转录的启动。

 

主调控因子是控制大部分其他TFs和相关基因调控活性的TFs,通常是很好的抗生素靶点,可用于未来药物开发。

 

在PA中,许多TFs通过调节群体感应(quorum sensing, QS)、三型分泌系统(type III secretion systems, T3SS)和六型分泌系统(Type VI secretion systems, T6SS)来调节毒力。7年来,文章的通讯作者邓新教授与西北大学梁海华教授合作,致力于揭示PA的发病机理,发现并阐明与多重毒性相关的TFs调控机制。

 

迄今为止, PA的几种毒力相关TFs(包括VqsM、AlgR、AmrZ、CdpR、RsaL、BfmR、VqsR、MvfR和 LasR)已被单独研究过。然而,人们对于这种细菌中确切的毒性相关TFs之间的相互作用知之甚少。

 

为了进一步对PA致病性进行全局性分析并发现新的潜在药物靶点,邓新团队研究了20个关键毒力相关的TFs之间的关系。

 

他们主要研究了1200个注释的基因,这些基因在启动子区域中含有结合峰,并由1个或多个TFs直接调控。这些基因中的大多数(935/1200)仅被1个TF靶向,其余265个基因被多个TFs共靶向,尤其是GacA和AlgR,它们分别与240和234个独一无二的基因结合。这些发现揭示了这20个毒性相关TFs之间复杂的结合模式和潜在的功能性串扰。

 

不同TFs靶基因的重叠(TF结合峰位于基因启动子上),柱状图表示个体/重叠集合中的基因数。(图片来源:Nature Communications)

 

接着,对所有RNA-seq和微阵列数据的综合分析显示,在含5704个基因的PA基因组中,有4775个基因(83.7%)受到这20个TFs的影响。由这20个TFs控制的所有靶基因的重叠分布模式及其个体模式如下图a所示。这些模式揭示了复杂的协同调控网络,大多数基因是由多个TFs共同调控的。


PA毒力相关TFs的聚类及共表达模式。a)基于皮尔逊相关系数的无TFs差异表达基因的层次聚类。4775个基因被从RNA-seq中获得的16个TFs差异调节。由一个以上的TFs调控的基因是白色的。b)依赖于20个TFs差异调节基因的共表达模式,不同TFs球之间的白球代表由TFs组合共同调节的基因数量。(图片来源:Nature Communications)


随后,他们绘制了PA基因组调控网络(Pseudomonas aeruginosa genomic regulatory network,PAGnet),以可视化这20个TFs与其功能性靶基因的调控关系。



PAGnet的可视化。PAGnet由整合的20个 PA TFs调控子建立。矩形代表20个基因组TFs,圆圈代表不同TFs的功能靶标,其中,橙色靶标受TFs正调控,蓝色靶标受TFs负调控,灰色靶标代表调控关系尚不清楚。多个TFs共同调控靶标,部分TFs具有自我调节功能。(图片来源:Nature Communications)

 

这个PAGnet揭示了由这些TFs和相关串扰介导的毒力调节的复杂机制,从而协助在QS和T3SS中识别出9个主调控因子。其中,RsaL、QscR、RhlR、CdpR、MvfR、PchR、PhoB和LasR被确定为QS的主调控因子,ExsA被确定为T3SS的主调控因子。

 

二、开发更广泛的病理学应用在线平台

 

值得一提的是,研究人员还开发了一个基于 PAGnet 的免费访问在线平台 和 R package,以确保调控网络及时更新,并方便用户自定义分析。

 

该在线平台和 R package 为用户提供网络可视化、子网过滤和下载服务,以便于可视化和探索PA毒力调控网络,以及分析主调控因子来识别介导PA生物过程或通路的关键TFs。

 

总结来说,该研究揭示了PA毒力相关TFs之间复杂串扰的高度模块化结构,并清楚地描述了调节PA致病性的复杂网络。针对这些新确定的主调控因子抑制剂的开发可能有助于发现针对PA的新药物。

 

“我们确定的主调控因子是潜在的抗生素靶点,对今后开发PA新抗生素具有重要的临床意义。更重要的是,我们建立的网络不仅适用于PA,这项工作的方法和结论对今后其他细菌性病原体的研究具有一定的参考价值。”邓新博士评论道。


相关论文:

[1] Hao Huang et al. An integrated genomic regulatory network of virulence-related transcriptional factors in Pseudomonas aeruginosa, Nature Communications (2019).

参考资料:

1# Superbug virulence regulatory mechanism revealed: Paving the way for developing new antibiotics


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