多年依赖抗生素利福平已导致耐药性结核分枝杆菌(Mtb)的出现。但当细菌发生突变以保护自己免受药物影响时，它也会创造出其他疗法可能利用的新弱点。现在，发表在《自然·微生物学》杂志上的一项新研究表明，最常见的利福平抗药性突变会使细菌RNA聚合酶变慢，从而产生未来联合疗法可能针对的脆弱点。
"我们正在开发一种策略来领先于药物抗性，"洛克菲勒大学宿主-病原体生物学实验室负责人杰里米·洛克表示，"通过联合疗法，我们可以利用这样一个事实：帮助细菌存活一种抗生素的突变使其对另一种抗生素变得脆弱。"
全球性威胁
结核病是世界上最致命的传染病，每年导致超过100万人死亡。现代结核病治疗很大程度上依赖于利福平，这是一种靶向细菌RNA聚合酶的抗生素，该酶负责将DNA转录为RNA并驱动基因表达。通过与酶的β亚基结合，利福平阻止细菌正常产生RNA，有效地关闭了其最重要的功能。
"利福平历史上一直是结核病治疗的支柱，"洛克实验室的博士生、现为威尔康奈尔医学院博士后研究员的凯瑟琳·埃卡特表示，"因此，随着利福平抗药性逐渐使这种药物无法使用，许多生命处于危险之中。"
对于洛克实验室的实验室经理凡妮莎·蒙萨米-戈文德来说，这一威胁是个人的，她之前在南非与结核病患者和耐药结核病打交道。"我亲眼目睹了这些感染对患者和医疗系统造成的毁灭性影响，"她说，"这些经历塑造了我不仅理解Mtb如何产生抗药性，还理解抗药性突变是否会产生可被利用的脆弱点的兴趣。"
先前的研究表明，抗药性突变伴随着进化权衡。当细菌突变以逃避抗生素时，这种变化可能会破坏核心细胞过程并产生弱点。
Mtb中最常见的利福平抗药性突变βS450L说明了这一原理：伊丽莎白·坎贝尔和塞思·达斯特展示了它如何阻止药物与RNA聚合酶结合，而洛克与坎贝尔的合作研究揭示，改变后的酶功能也更慢，经常暂停、停滞或过早终止转录。携带此突变的细菌对其他150个基因的干扰也特别敏感。
但研究人员在理解这些脆弱性的根本原因之前，无法希望利用这些脆弱点。如果这些脆弱性仅仅是迟缓突变细菌的副作用，它们将难以成为靶点。但如果它们是由突变酶从根本上改变细菌转录其遗传物质的方式直接驱动的，这可能会为新药提供特定的机制蓝图。
"基础科学为我们提供了理解这些情况下正在变化的工具。我们希望然后可以利用这些知识来指导针对这些突变独特弱点的药物开发，"埃卡特说。
利用新弱点
在与Shixin Liu的纳米级生物物理学和生物化学实验室合作进行的这项研究中，研究团队比较了减慢RNAP的βS450L与另外两种常见的利福平抗药性突变，后者具有相反的效果，产生快速、不易暂停的RNAP。通过比较这些不同的突变，研究团队表明在βS450L中看到的严重代谢缺陷特别与它迟缓的转录机制相关——而不仅仅是一个副作用。
重要的是，即使是这两种快速突变也产生了彼此不同的脆弱性特征，这也强调了抗生素抗性并非"一刀切"的现象。"并非所有利福平抗药性突变表现相同，"蒙萨米-戈文德说，"未来的疗法可能需要考虑感染中存在的特定抗药性突变。"
进一步研究，研究团队发现携带βS450L的细菌对参与产生硫胺素和支链氨基酸的通路表现出异常依赖。他们最终将这种依赖性追溯到突变体易暂停的RNAP，它破坏了位于ilvB1基因前的调控RNA序列。
在正常条件下，此序列就像一个分子开关，感知营养水平并决定转录是否继续，以便细菌可以在压力下产生更多IlvB1（一种在压力下创造新氨基酸所需的酶）。在βS450L细菌中，RNAP经常在此调控检查点停滞或关闭，阻止Mtb在营养稀缺时激活该通路。研究人员认为，这种缺陷代表了更广泛的调控崩溃。
研究人员预测，具有βS450L突变的Mtb因此会对ilvB1通路的干扰特别敏感。为了测试这一点，他们将细菌暴露于氯黄酮（一种专门靶向IlvB1酶的化合物）。正如预期的那样，与更快的利福平抗药性菌株相比，βS450L突变得以证明对药物更为敏感。这一发现特别引人注目，因为IlvB1已经被认为是一个有前途的结核病药物靶点。
"我们展示了最常见的利福平抗药性突变不仅仅帮助细菌逃避抗生素——它创造了新的弱点，"蒙萨米-戈文德说，"探索这些权衡可以帮助指导联合疗法的开发，这些疗法不仅旨在治疗结核病，还可以限制抗药性的出现和持续。"
虽然这项工作指出了应对多重耐药结核病的一种有希望的新策略，但研究人员警告说，它仍处于早期阶段。研究中使用的氯黄酮化合物尚不适合作为治疗方法，需要大量额外工作来确定这些脆弱性是否可以在患者身上安全有效地利用。
"但我们的工作表明，如果我们足够深入地理解生物学，药物发现可以建立在这种理解基础上，为结核病设计合理的联合疗法，"洛克说。
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