大咖解讀：抗生素對金黃色葡萄球菌代謝組的影響

金黃色葡萄球菌是一種兼性致病菌，可引起從皮膚、軟組織到全身的多種感染。在臨床實驗的分離株中，廣泛存在對抗生素耐葯的基因，使治療變得更加複雜，而多重耐葯問題更是進一步加大治療難度。甲氧西林耐葯金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant staphylococcus aureus，MRSA）是醫院內感染常見的致病菌之一，中國 CHINET 耐葯監測網2008～2014年的數據顯示，MRSA 臨床分離率占金黃色葡萄球菌感染的44%以上。因此，臨床迫切需要新的抗菌藥物。

為了監測葡萄球菌對抗生素的生理學影響，我們需更詳細地闡明細菌代謝的基本過程和適應機制。研究細菌對抗生素的代謝反應，有助於更好地了解葡萄球菌的生理學。目前已經進行了幾項關於轉錄和蛋白質組學的研究，但仍對許多細菌的反應和調控過程的理解不完整。因此有關抗生素化合物對金黃色葡萄球菌HG001代謝組的影響，需要我們探討研究。

研究過程

在金黃色葡萄球菌的細胞溶膠中檢測到罕見的葡萄球菌代謝物，包括景天庚酮糖-1、7-二磷酸酶和UDP-乙醯胞壁酸-五肽和丙氨酸-絲氨酸殘基。對於每一種抗生素化合物，都可檢測到代謝產物的積累和損耗，通常在整個生物合成途徑中，如氨基酸代謝、肽聚糖、嘌呤和嘧啶合成。環丙沙星改變了脫氧核苷酸和肽前體；紅霉素傾向於增加戊糖磷酸和賴氨酸中間體的含量；磷黴素抑制了肽聚糖合成第一個酶，使多肽前體減少，但增加了糖胺和丙氨酸等底物的量。相比之下，萬古黴素和氨苄西林抑制了細胞外表面肽聚糖結構的最後階段，使UDP-乙醯胞壁酸-多肽的數量急劇增加，導致細胞膜區域的形態學改變，且初級代謝物總量下降。此外，每種抗生素均影響三羧酸循環中間體的細胞內水平（圖1）。

氟喹諾酮環丙沙星吸附DNA 旋轉酶和拓撲異構酶Ⅳ，抑制DNA複製和轉錄，致DNA雙鏈斷裂。在金黃色葡萄球菌治療中，相比於旋轉酶，拓撲異構酶Ⅳ對氟喹諾酮類藥物更敏感。

紅霉素是一種與細菌核糖體亞基23S rRNA結合的抗生素。當與核糖體結合時，紅霉素在進入位點阻斷了進入通道，通過該通道，新生的肽鏈離開核糖體，導致核糖體中肽-tRNAs分離。紅霉素能夠抑制肽鏈早期的蛋白質合成，而肽鏈的生長速度並沒有超過臨界值，延長的多聚體對這種抗生素的親和力較低。

肽聚糖是細菌細胞壁的重要組成部分，是抗生素藥物最重要的靶點，磷黴素抑制細胞壁合成初始細胞質，磷酸烯醇丙酮酸作為底物類似物，與磷黴素不可逆地結合催化部位UDP-N-乙醯葡萄糖胺-3-烯醇式丙酮酸轉移酶。該藥物通過甘油磷酸酯運輸系統進入細菌細胞里。

圖1 抗生素對金黃色葡萄球菌代謝組的影響

(A)表顯示細胞內代謝物的數量大（P≤0.01），在抗生素治療的120分鐘內，以及在萬古黴素治療的30分鐘內，增加和減少呈倍數級改變（相比於對照組的實驗組）；FC：數據為5倍樣本的平均值。(B)柱狀圖顯示對錶A進行顯著改變的各種代謝途徑代謝組數。根據耐葯做出彩色柱：紅色為環丙沙星、綠色為紅霉素、紫色為磷黴素、藍色為萬古黴素、橙色為氨苄青黴素。PPP：戊糖磷酸途徑；TCC：三羧酸循環，(N-/UDP)糖、氨基糖/UDP-激活糖；CW為細胞壁。

研究結論

本研究全面監測了不同種類抗菌化合物引發的細胞溶膠和金黃色葡萄球菌細胞的代謝變化。代謝物參與細菌應激反應，影響轉錄組和蛋白質組。抗生素並不僅僅導致細菌細胞內特定代謝產物的單一改變，而是廣泛影響細胞內代謝反應。因此，生物標誌物的代謝物未出現抗生素耐葯，但通常影響整個反應通路的中間體，主要是肽聚糖、嘌呤和嘧啶代謝通路受到影響。本研究中的抗生素均對持葡萄球菌應激反應的三羧酸循環的中間體有影響。在一定的耐藥水平下，一些未知的代謝物發生顯著改變，但在代謝物資料庫仍無法識別。因此，在代謝研究中識別未知因素仍是艱巨的任務，希望日後能發現一些有重大意義的有機化合物。

綜上所述，抑制磷酸甘油酸酯生物合成的胞外反應對葡萄球菌的代謝影響最大，其次是停滯的DNA和RNA合成。此外，抗生素化合物可影響細胞壁的生物合成。針對這一途徑的抗生素可能會為細胞壁組件提供前體所必需的酶，這些酶有望成為抗細菌感染的候選者。

原文：D?rries K,Schlueter R,Lalk M.Impact of antibiotics with various target sites on the metabolome of Staphylococcus aureus[J].Antimicrob Agents Chemother,2014,58(12):7151-7163.

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