当前位置:首页 > 生物研究 > 微生物学 > 正文

Nature:真菌获得抗药性,可不只靠基因突变

Nature:真菌获得抗药性,可不只靠基因突变

在抗生素和抗真菌药物的筛选下,细菌和真菌会在药物靶点基因产生突变而表现出抗药性,这种不可逆的方式曾经被认为是微生物产生抗药性的唯一途径。然而,来自杜克大学医学院的研究者们发现,卷枝毛霉菌(Mucor circinelloides)还有第二种产生抗药性的途径——利用表观RNA干扰(RNAi)来抑制相关基因的表达,从而获得暂时的、可逆的抗药性。这是研究者们第一次通过常规的基因筛选法发现真菌内源基因的表观突变。研究论文于7月27日发表在《自然》(Nature)上。

来自杜克大学医学院的教授约瑟夫·海特曼(Joseph Heitman)表示:“经典的孟德尔基因突变是一个更加永久的结合,像是传统的婚姻;而这些表观突变是可逆的,更像是同居。当条件改变的时候,更容易回到以前的状态。”

卷枝毛霉菌是一种真菌,它在空气中以菌丝型存在,而在低氧和高二氧化碳的条件下以酵母型存在。这种真菌可以在免疫系统低下的人群中引起毛霉菌病(mucormycosis),虽不常见,但足以致命。在抗真菌药物他克莫司的作用下,卷枝毛霉菌的生长会从菌丝型转为酵母型。西尔维娅·加洛(Silvia Calo)试图找到卷枝毛霉菌产生对他克莫司抗药性的基因突变,于是她在含有他克莫司的培养基中对卷枝毛霉菌进行了培养。结果发现,存活的菌落中有几个的外观与亲代不同。研究者进而将这几株菌分离出来进行了测序,结果并未在他克莫司的靶基因fkbA上发现突变。研究者们将这些菌株称为表观突变体(epimutant)。而且当培养基中不含有他克莫司之后,这些菌落又恢复到了类似于亲代的外观。那么到底是什么原因让fkbA基因没有发生突变的菌株产生了暂时的抗药性呢?

图1:卷枝毛霉菌野生株(WT)、fkbA突变株(fkbAΔ)、以及三个表观突变株(EM1、EM2、EM3)分别培养在YPD培养基和含有他克莫司(FK506)、雷帕霉素(Rapamycin)以及环孢素A(CsA)的培养基中。来源:研究论文

fkbA的表达产物FKBP12是一个在真核生物中保守的肽基脯氨酰异构酶,抗真菌药物他克莫司和雷帕霉素会与这种酶结合,从而抑制钙调磷酸酶的活性,抑制菌丝态的生长。另一种抗真菌药物环孢素A(CsA)和他克莫司、雷帕霉素类似,也能抑制菌丝态的生长,但它的作用机理不涉及FKBP12。研究者还使用了制霉菌素和两性霉素B进行了实验,结果发现表观突变体仅能在含有他克莫司和雷帕霉素的培养基中生长。说明这一机制并不能产生多种耐药性。

图2:从图1中恢复的三个表观突变株又重新表现出了对他克莫司、雷帕霉素敏感,并保持对环孢素A敏感。来源:研究论文

研究者们通过对这些菌株中fkbA基因的表达分析发现,在含他克莫司的培养基上生长时,fkbA基因完全没有表达;将这些菌株转移到不含他克莫司的培养基上后,fkbA的表达量虽然较低,但可以检测到;在继续培养几代后,这些菌株中的fkbA表达量恢复正常,并重新对他克莫司敏感。而以往的研究已经证明,在卷枝毛霉菌中存在RNA干扰机制,研究者们因此推测抗药性与此相关。于是,他们对sRNA的含量进行了检测,结果发现sRNA含量与fkbA的表达量负相关,即sRNA含量越高fkbA表达量越低。并且,他们还发现sRNA使fkbA沉默并不需要其它基因的参与。

因此,卷枝毛霉菌对他克莫司产生抗药性使用的是两种完全不同的机制:一种是基因突变后稳定而不可回复的抗性,而另一种则是通过RNA干扰介导的暂时的、可复原的抗性。

虽然研究者们目前仅在两种卷枝毛霉菌中发现了表观突变现象,不过鉴于RNA沉默现象的广泛性,他们认为其它的真菌以及细菌、病毒中也可能存在这种机制。目前已经有其他研究者意图研究曲霉(Aspergillus)和链孢霉(Neurospora)中的类似现象。海特曼说:“这可能会像其它分子现象例如内含子(introns)或微小核糖核酸(microRNA)的发现过程一样,都是从一个特例开始的,我认为这个发现可能很快就会成为普遍现象。

原文检索:

Silvia Calo, Cecelia Shertz-Wall, Soo Chan Lee, Robert J. Bastidas, Francisco E. Nicolás, Joshua A. Granek, Piotr Mieczkowski, Santiago Torres-Martínez, Rosa M. Ruiz-Vázquez, Maria E. Cardenas & Joseph Heitman. Antifungal drug resistance evoked via RNAi-dependent epimutations. Nature, 27 July 2014; doi:10.1038/nature13575

阅读次数:  

发表评论