从靶标到网络——抗菌药物作用机制与细菌耐药机制的研究进展

陈代杰

·综述·

从靶标到网络
——抗菌药物作用机制与细菌耐药机制的研究进展

陈代杰

细菌耐药机制； 抗菌药物； 靶标； 网络

细菌耐药性是21世纪威胁人类生命健康的最重要元凶之一。传统的细菌耐药机制主要有：①抗菌药物的选择压力，使极少量的耐药菌可继续生长繁殖；②抗菌药物可诱导高突变细菌（hyperm utator）发生某些基因的突变；③敏感菌通过接受外源带有耐药基因的质粒和转座子等载体的横向传递，成为耐药菌［1-3］。但这些 无法完全 解释当 前 临床 耐 药菌的广泛传播以及大量细菌性感染患者治疗失败的原因。近年来，对细菌接触亚致死剂量抗菌药物后细菌内部“网络”变化的研究发现，细菌耐药性的产生机制，除已发现的特异性“靶标”这一经典理论外，更深入的还与细菌蛋白网络的变化有关：某些蛋白的变化导致相应代谢途径的变化，“代谢网路”的变化与细菌耐药性直接相关［4］。

亚致死剂量的抗菌药物不仅存在于药物治疗期的细菌感染患者中，更存在于人类生活的环境中，如被残留抗菌药物污染的水体、土壤和食物［5］。细菌接触亚剂量抗菌药物后受到选择压力的作用会引起自身基因随机突变，继而导致一系列基因转录和蛋白表达水平的改变，以此来抵御环境压力。这是目前引起细菌耐药性传播和泛滥的主要原因，也是临床 治 疗失 败 的主 要 原因［1，6-7］。

近年来基于蛋白组学的“细菌网络药理学”研究，打开了一扇能够看到细菌接触抗菌药物后引起内部变化的窗户。而更深层次的细菌网络耐药机制研究需要借助基因组学、转录组学、蛋白组学等技术来了解细胞内的“微观变化”，同时结合生物信息学和分子生物学等方法，联系组学研究揭示的“微观变化”与细菌耐药性的“宏观特征”，从中发现造成耐药性的“关键推手”。深入的机制研究将在新靶标的发现、寻找新型抗菌药物以及新的生物标志物、为新的临床治疗手段提供科学依据等方面有所助益，意义重 大［8-10］。

1 抗菌药物是如何杀灭细菌的：从靶标到网络

半个多世纪以来，人们对抗菌药物作用靶标的研究取得了很大进步。目前，几乎所有临床应用的半合成抗生素都是基于靶标特异性而研发成功的，而天然产物抗生素的发现并非基于靶标，它们往往是基于一般的抗菌活性筛选所得。目前典型的抗菌药物特异性作用靶标包括：细胞壁（β内酰胺类和糖肽类）、细胞膜（脂肽类）、D N A或R N A（喹诺酮类和利福霉素类）、50S核糖体（大环内酯类、林可酰胺、链阳性菌素类）、30S核糖体（氨基糖苷类和氯霉素类），以及叶酸合成（磺胺类）等［11］。

随着对抗菌药物作用机制和细菌耐药机制研究的深入，人们认识到：一个细菌就是一个生命的整体。一个生命体在遭遇环境变化时，除了具有特殊的应对机制外（即靶标特异性），更多的是调动生命体的整个蛋白网络来应对外界刺激和压力。这种蛋白网络的变化或是导致细菌死亡，或是提高细菌抵御抗菌药物压力继而导致细菌产生耐药性。这正是近年来愈来愈多的抗菌药物作用机制和细菌耐药机制的研究由“靶标”转向到“网络”的原因所在［4］。

近年来，以Collins研究团队为代表的“网络性”抗菌药物作用机制研究取得了突破性进展。其中一个重要的发现是杀菌性抗菌药物如：D N A促旋酶抑制剂喹诺酮类、30S核糖体抑制剂氨基糖苷类，以及细胞壁合成抑制剂β内酰胺类抗生素在与各自的作用靶位结合后，触发三羧酸（T C A）循环中的N A D（P）H的瞬间损耗、铁-硫簇（Fe-S cluster）的不稳定以及刺激芬顿（Fenton）反应，由此产生大量的羟基自由基（·O H），最终呈现一个 共同的 杀菌机制——·O H对细菌D N A、蛋白以及脂类等的损伤而 导 致细 菌死 亡［12-15］。Grant等［16］研究 表 明：在液体培养耻垢分枝杆菌和结核分枝杆菌时，提高氧饱和度能够显著提高氧氟沙星和异烟肼诱导的·O H的产生，进而有效地消除对抗菌药物耐受的持留菌的生长。这种由细菌接触杀菌性抗菌药物后触发的·O H杀菌机制，也呈现在杀菌性抗真菌药物两性霉素B、咪康唑类药物，以及环吡类药物对白念珠菌和酿酒酵母的杀菌过程中［17］。同时，长期使用这类杀菌性抗菌药物也能够诱导哺乳动物细胞内·O H含量增加，以及造成哺乳动物细胞线粒体的功能障碍［18］。这一重要发现，为进一步研究开发具有增效细菌接触杀菌性抗菌药物后产生·O H，提高杀菌能力的辅助抗菌药物提供了理论基础和实践的可能性［19-20］。

但是，最近 Liu等［21］、Keren等［22］，以及Ezraty等［23］3个独立的研究小组相继在Science上发表了他们不同的研究结果，对Collins等提出的杀菌性抗菌药物基于产生活性氧自由基（R O S）的普遍杀菌机制提出了质疑。这为学术界进一步深入研究抗菌药物的作用机制注入了新的活力。除了以上结果外，大量研究还表明β内酰胺类抗生素和喹诺酮类抗菌药物引起细菌死亡的另一个重要原因是，细菌接触这类抗菌药物后产生的8-氧代-脱氧鸟苷损伤难以修复而致使 D N A的断裂所致；而氨基糖苷类抗生素可能还附加有8-氧代-脱氧鸟苷掺入到R N As后，引起翻译错误导致细菌死亡的因素［24］，由此补充了杀菌性抗菌药物触发的·O H的共同杀菌机制。杀菌性抗菌药物能够诱导大肠埃希菌与凋亡有关的网络变化，即在细菌的死亡进程中呈现出细胞凋亡的特征：磷脂酰丝氨酸的暴露、染色体凝聚、以及D N A断裂［25］。Allison等［26］研究 表 明，甘露 糖 等 物 质 能够通过细菌代谢产生质子驱动力，帮助氨基糖苷类抗生素进入细菌胞内，从而有效地清除“持留菌”。W aka m oto等［27］的研究发现，致死剂量异烟肼孵育下的耻垢分枝杆菌后期持留菌的消除与单个细胞中随机表达过氧化物酶（KatG）相关，该酶能够催化N A D H与药物发生共价修饰，进而阻断细菌分支酸的合成和导致死亡。

2 细菌耐药性的发生、发展和传播：从靶标到网络

长期以来抗菌药物被广泛的用于人、各种牲畜和水生动物的抗感染治疗，大量的残留抗菌药物随着工业和医疗含抗菌药物残留废弃物，人与动物粪便以及水产养殖水体流入环境，致使耐药菌的泛滥和传播，最终导致耐药菌感染患者的治疗失败。这种宏观间的因果联系早已被人们接受，但是这种联系已经无法完全用早期的抗菌药物选择压力理论［28］、抗菌药物作用靶标的改变致使亲和力降低理论、以及细菌产生特异性的酶破坏抗菌药物等传统的耐药机制来解释，也无法简单用传统的耐药基因水平转移的机制来解释耐药菌的快速蔓延和传播［29］。本世纪临床面临的一大挑战是如何征服日趋严重的细菌耐药性：今天不采取行动，明天就无药可用［30］。而近年来学术界大量有关细菌耐药机制的研究成果，无疑是人类征服细菌耐药性的强大基石。

2.1 亚致死剂量抗菌药物引起的可遗传细菌耐药性：特异性靶标的突变

从遗传角度，基本上可以把细菌对抗菌药物的耐药性分为可遗传和不可遗传2种。可遗传的耐药菌包括组成型和诱导型，其耐药机制往往直接与抗菌药物及其作用靶位有关，这些传统的细菌耐药机制包括：①细菌细胞膜上孔蛋白的改变阻止药物进入胞内；②外排泵蛋白对已经进入胞内药物的排出作用；③钝化（修饰或水解）酶对抗菌药物的灭活；④抗菌药物作用靶标的改变阻止药物的结合；⑤改变药物作用靶标的代谢途径等［29］。在高剂量抗菌药物选择压力下，细菌因诱导突变对抗菌药物产生耐药而从敏感菌群体中选择出来；同样，细菌在接触低剂量（亚致死剂量）的抗菌药物后，也会使部分敏感 菌 发生 随 机的 自 发 突变 而 成为耐 药 菌［2，31-32］。 已有大量研究表明，尽管已上市的抗菌药物对哺乳动物没有“致癌、致畸和致突变”的作用，但β内酰胺类、氨基糖苷类和喹诺酮类等杀菌性抗菌药物却都能引起细菌产生耐药性突变［33］。氨苄西林、卡那霉素和诺氟沙星能够通过诱导细菌产生·O H来提高对多种结构类别的抗菌药物的耐受。其中氨苄西林能够引起大肠埃希菌的促旋酶 A和B基因（gry A和gryB）或是acrA B启动子pacrA B基因的突变，从而对诺氟沙星产生耐药；氨苄西林也能够引起核蛋白 RpsL 的突变，从而对卡那霉素产生耐药［4］。Nair等［34］的研究 显示，β内酰 胺类、氨基 糖苷 类和喹诺酮类抗菌药物能够引起铜绿假单胞菌对利福霉素耐受的突变频率。Toprak 等［35］利用氯霉素、金霉素和甲氧苄啶等抗菌药物压力连续培养大肠埃希菌20 d后，其对抗菌药物的耐受性大幅提高。然后对这些耐药性大幅提高的菌株进行全基因组测序，结果发现，这些突变既有对药物的特异性，也有多药耐药的突变发生。

愈来愈多的研究显示，即使极低剂量的抗菌药物，也能够有效地富集高度耐药的细菌，即抗菌药物可以作为诱变剂致使高突变细菌（hyperm utator）接触后发生某些基因的突变，造成对药物的耐受［3］。这一发现可以部分解释细菌耐药性快速传播和扩散的原因——细菌接触亚致死剂量抗菌药物后导致产生耐药性突变。而细菌接触亚致死剂量抗菌药后引起的蛋白网络变化，更是导致产生耐药性发展的重要原因。

2.2 亚致死剂量抗菌药物引起的不可遗传细菌耐药性：蛋白网络变化的耐药机制

所谓不可遗传的耐药，即由“环境”引起（环境依赖型）的对抗菌药物产生“非遗传”性的耐药菌，通常被称之为“持留菌（persisters）”，即非传统意义上的“抗性（resistance）”而是“持留性（persistence）”，但无论是抗性还是持留性，其对抗菌药物都表现出一定程度的耐受（tolerance），宏观上都表现为耐药。持留菌是目前临床上细菌感染治疗失败的主要原因 ［36-38］。

2.2.1 S O S与细菌耐药性（持留性） 研究表明，细菌为了适应不同压力环境会根据不同生存环境选择性地表达或阻抑某些基因。由S O S介导的遗传网络调节是导致细菌在抗菌药物压力下适应性生存的主要策略。S O S反应作为一种可诱导的D N A修复和损伤耐受体系，是细菌对 D N A 损伤的应激反应。RecA阻遏蛋白和Lex A诱导蛋白在调节S O S中起主要作用。S O S系统至少编码40个以上的蛋白，用于D N A的保护、修复、复制、致突变以及代谢［］。

杀菌性抗菌药物具有诱导产生·O H 的共同杀菌途径。·O H 在破坏细菌D N A 的同时，损伤的D N A能够诱导S O S反应。S O S反应增强了细菌修复损伤D N A的能力，弱化抗菌药物的影响，即产生细 菌 耐药性［15，40］。 大 肠 埃 希 菌 接 触 喹 诺 酮类 抗菌药物氧氟沙星后所出现的“持留菌”，依赖于细菌接触抗菌药物后S O S网络系统的激活，此发现打破了细菌接触抗菌药物后产生的持留菌是随机形成的观点［41］。Cirz等［42］研究发现，喹诺酮类通过诱导金黄色葡萄球菌（金葡菌）的S O S系统，活化产生毒素蛋白TisB，插入到细胞膜后引起阳离子的转运，从而扰乱质子驱动力，最终导致敏感菌成为持留菌。但过度表达毒素蛋白TisB，则会导致细菌的大量死亡 ［43］。

S O S介导的细菌耐药性的另一个重要机制是参与耐药基因的水平传递。Beaber等［44］研究发现，氧氟沙星能够通过S O S对 D N A损伤的响应，导致减轻SetR蛋白对S X T（氯霉素、磺胺甲口恶唑、甲氧苄啶和链霉素的耐药基因）的阻遏；促进SX T的转移。G uerin等［45］的研究表明，甲氧苄啶、喹诺酮类和β内酰胺类抗菌药物能够通过诱导S O S，促进整合酶的表达。而在革兰阴性菌中，编码大多数抗生素（如β内酰胺类和氨基糖苷类）可传递的耐药基因通常被携带在1型整合子上，而这一耐药基因传递整合至 另 一受体细菌中需要整 合 酶。Ca m bray等［46］的研究表明，当S O S表达阻遏蛋白 Lex A 受到外界压力（如抗菌药物）去阻遏后，该蛋白通过与大肠埃希菌样的Lex A结合位点结合，从而调控整合酶的表达，整合外源带有耐药基因的整合子到细菌染色体上，为进一步阐明S O S系统与耐药基因水平传递的精细机制打下了基础。H ocquet［47］等研究发现：在法国某医院的铜绿假单胞菌流行的原因，是由于第1例感染该细菌的患者不合理地用了甲硝唑治疗的缘故，因为细菌接触甲硝唑后促发了S O S的响应，进而活化了整合酶基因（IntI1）的表达，最终导致所有β内酰胺酶的表达，并在整个医院内扩散。

2.2.2 （p）ppGpp与细菌耐药性 微生物能感知环境 胁 迫 信 号，通 过触 发 严谨 反 应（stringent response）对生长速率进行调节，即当营养缺乏时，pp Gpp调节引起严谨反应，细胞停止了大部分代谢活动，仅保留维持生存的必需代谢活动，R N A 含量下降，使细胞能在不利环境中生存。高度磷酸化的鸟苷四/五磷酸（pp Gpp/ppp Gpp）作为信号分子对微生物生理具有广泛的调节作用，pp G pp介导的全局性调控对逆境生存起到了重要作用［48-49］。

近年来，有关pp Gpp调控细菌耐药性发生的机制被逐步揭示。Po mares等［50］研究发现，R N A 聚合酶 （R N A P）是多种抗生素的作用靶标，其中包括多肽抗生素小菌素J25（microcin）。敏感型大肠埃希菌在小菌素的环境中，进入静止生长期的细菌对抗生素的敏感性显著下降，而ppG pp显著上升。其主要作用机制推测有2个：①ppG pp占据了 R N A聚合酶附近的活性靶位，并与 R N A聚合酶核心酶的β亚基和β′亚基发生交互作用，以及作为变构因子阻止了抗生素与R N A P靶标的结合；②ppG pp作为全局性调控因子，显著上调了特异性小菌素外排蛋白Yojl，使细菌细胞内的抗生素浓度显著下降，从而保护细菌免遭杀害。这类抗生素还有利福霉素、m yxopyronin、corallopyronin，以及 ripostatin等。A branches等［51］研究发现，用莫匹罗星处理粪肠球菌后，细菌细胞内ppGpp含量大幅上升，且这种积累与细胞内热休克蛋白、碱休克蛋白，以及细菌对万古霉素的耐受性成正相关性。M wangi等［52］通过对金葡菌的全基因组测序分析揭示了细菌对β内酰胺类抗生素的耐药性与ppG pp合成酶（RelA）表达上调密切相关。但是，在大肠埃希菌接触亚致死剂量的卡那霉素后，与ppG pp合成酶（RelA）的关系不大，而与另一个与ppG pp合成有关的水解酶基因spoT 关 系较 大［53-54］。最 近 ，M aisonneuve等［55］研 究发现，持留菌的产生与细胞中无机多聚磷酸酯酶呈正相关；这种多聚磷酸酯酶与Lon蛋白一起活化毒素-抗毒素系统；导致大肠埃希菌K-12中11种抗毒素降解；然后触发毒素蛋白的翻译，进而抑制细胞的生长。

2.2.3 营养代谢与细菌耐药性 营养饥饿能够引起细菌对抗菌药物产生耐受，其主要机制是由于环境缺乏营养而介导细菌生长停滞，从而导致抗菌药物作用靶 位的钝 化［56］。N guyen 等［57］研究 发现，在营养缺乏环境下铜绿假单胞菌主动启动饥饿信号严谨型响应机制（而不是由于饥饿而被动地使细菌停滞生长的过程），减缓细菌接触抗菌药物后产生的氧化压力，进而减少了氧化压力对细菌菌膜破坏作用，由此细菌能够在抗菌药物压力下生长繁殖。H offman等［58］研究发现，囊性纤维化气道中的铜绿假单胞菌在缺氧和富有硝酸盐的条件下对妥布霉素和环丙沙星的耐受性提高。

2.2.4 细菌耐药机制的多样性 细菌接触抗菌药物后引起的抗性具有多样性反应。如 Fuller等［59］研究发现，虽然金葡菌 A T C C 9144不存在青霉素酶和PBP2a，但仍然表现出对青霉素G较高的耐药性；其主要机制是细菌接触β内酰胺类抗生素后引起的瞬时细胞壁的不完整性所介导，且随后细胞壁恢复正常的细胞对抗菌药物的耐药性是可以遗传的。对金葡菌耐受达托霉素的机制研究发现，耐药菌的细胞膜发生一系列变化，如流动性降低、总赖氨酰-磷脂酰甘油（L P G）合成增加、LP G 翻转至细胞膜外双层增加，以及负责增加表面电荷的基因dlt表达增加［60］。Perron等［61］对多株 亚胺 培 南耐药 突变株的分析发现，其细胞膜上抗菌药物特异性孔蛋白OprD的水平大幅降低，这与双组分蛋白CzcRCzcS发生变异有关。Aiassa等［62］用亚致死剂量的氧氟沙星处理奇异变形杆菌突变株后，筛选得到4株对氧氟沙星具有不同耐受程度的突变株。进一步研究发现，通常造成细菌耐药性的促旋酶和拓扑异构酶典型位点并没有发生突变，而细胞内三价铁的还原抗氧化能力大幅提高。最后验证细菌对抗菌药物的耐受性主要由抗氧化能力的提高所致。Begley等［63］研究发 现，单核 细 胞增 生 李斯特 菌（Listeria monocytogenes）中的谷氨酸脱羧酶的活性，与细菌对多肽类抗生素乳链球菌素的耐受性相关。Lee等［64］研究发现，敏感细菌群体耐药性的发生可以通过极个别耐药菌提供的“慈善”（charity w ork）获得。在液体连续培养器中用逐步提高诺氟沙星浓度的方法，“孵育”（incubation）敏感性大肠埃希菌10 d，然后分离这些在高抗菌药物压力下生长的细菌，进行抗性平皿筛选。结果发现只有极个别的细菌能够在与液体培养过程中相同浓度的诺氟沙星下生长，进一步研究显示正是这些个别耐药菌产生的吲哚化合物“分享”（share）给了敏感菌所致。因为经转录组学分析和分子生物学验证，吲哚类物质能够诱导细菌药物外排泵的表达，以及启动氧化压力的保护机制。G usarov等［65］和 Shatalin等［66］研究分别发现，很多病原菌产生的内源性 N O 和H2S能够通过减缓由各种结构类别的杀菌性抗菌药物引起的氧化压力，从而产生耐药性。

Jia等［67］的研究揭示了细菌产生氨基糖苷类钝化酶的新机制：氨基糖苷类抗生素进入细菌胞内后，与细菌核糖体开关（riboswitch）结合，从而引起一系列变化：编码钝化酶的m R N A二级结构的改变→核糖体结合序列的暴露→核糖体与m R N A 结合→钝化酶的翻译→将活性抗生素分子钝化→抗菌药物与30S核糖体亲和力下降，最终导致细菌对抗菌药物产生耐药性。本发现的最新成果是揭示了抗菌药物小分子能够直接调控蛋白质（氨基糖苷钝化酶）的翻译。Kannan等［68］研究揭示了细菌之所以在接触极高致死剂量的红霉素和泰利霉素后，仍然具有合成蛋白（多肽）能力的机制：大环内酯类抗生素结合于细菌50S rR N A 中的23S rR N A，只是部分阻塞新生肽排出隧道（nascentpeptide exit tunnel，N P E T），因而细菌即使接触极高致死剂量的抗菌药物，细菌在短时间内还是能够选择性地合成蛋白或多肽。这些最新的重大研究成果，为认识抗菌药物的作用机制和细菌耐药机制提供了新的思路。

越来越多的研究表明，细菌耐药性的发生、发展、扩散和传播有着极其多样性的机制，这种由表及里，由浅到深的基础研究成果，最终必将会给新型抗菌药物的发现带来新的希望：特别是如何改变通过“与细菌正面交锋的策略——抑制细菌生长所必需的途径”，以避免“道高一尺，魔高一丈”的局面；转向如何解除细菌耐药的“武器装备”的策略——发现像β内酰胺酶抑制剂等不影响细菌生长的抗菌增效剂；同时，这种基础研究成果也必将会对临床诊断生物标志物的发现、调节机体免疫系统协同“抗菌作战”的新型辅助药物的发现、新型临床治疗方案的设计，乃至新型细菌耐药性控制策略的制定带来新的希望。

［1］ Davies J.Inactivation of antibiotics and the dissemination of resistance genes［J］.Science，1994，264（5157）：375-382.

［2］ W aine DJ，H oneybourne D，S mith E G，et al.A ssociation between hyperm utator phenotype，clinical variables，m ucoid phenotype，andantimicrobial resistance in Pseudomonas aeruginosa ［J］.J Clin Microbiol，2008，46（10）：3491-3493.

［3］ Iyer A，Barbour E，Azhar E，et al.Transposable elementsin Escherichia coliantimicrobial resistance［J］.A dvanc Biosci Biotechnol，2013，4，415-423.

［4］ K ohanski M A，D wyer DJ，Collins JJ.H ow antibiotics kill bacteria：fro m targets to networks［J］.Nat Rev Microbiol，2010，8（6）：423-435.

［5］ Davies J，Spiegelman G B，Yim G.The world of subinhibitory antibiotic concentrations［J］.Curr O pin Microbiol，2006，9（5）：445-453.

［6］ Blázquez J，Couce A，Rodríguez-Beltrán J，et al.Antimicrobials as pro m oters of genetic variation［J］.Curr O pin Microbiol，2012，15（5）：561-569.

［7］ G ullberg E，Cao S，Berg O G，et al.Selection of resistant bacteria at very low antibiotic concentrations［J］.P LoS pathog，2011，7（7）：e1002158.

［8］ Palm er A C，Kishony R.U nderstanding，predicting and manipulating the genotypic evolution of antibiotic resistance［J］.Nat Rev Genet，2013，14（4）：243-248.

［9］ A mini S，T avazoie S.A ntibiotics and the post-geno m e revolution［J］.Curr O pin Microbiol，2011，14（5）：513-518.

［10］ Radhouani H，Pinto L，Poeta P，et al.After geno mics，w hat proteo mics tools could help us understand the antimicrobial resistance ofEscherichia coli？［J］.J Proteo mics，2012，75（10）：2773-2789.

［11］ Bush K，Pucci M J.New antimicrobial agents on the horizon［J］.Biochem Pharmacol，2011，82（11）：1528-1539.

［12］ K ohanski M A，D w yer DJ，H ayete B，et al.A co m m on mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics［J］.Cell，2007，130（5）：797-810.

［13］ D wyer DJ，K ohanski M A，H ayete B，et al.Gyraseinhibitors induce an oxidative da mage cellular death path way in Escherichia coli［J］.M ol Syst Biol，2007，3：91.

［14］ D wyer DJ，Kohanski M A，Col l ins JJ.Networking opportunities for bacteria［J］.Cell，2008，135（7）：1153-1156.

［15］ D wyer DJ，Kohanski M A，Col l ins JJ.Role of reactive oxygen species in antibiotic action and resistance［J］.Curr Opin Microbiol，2009，12（5）：482-489.

［16］ Grant SS，Kaufmann BB，Chand N S，et al.Eradication of bacterial persisters with antibiotic-generated hydroxylradicals［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2012，109（30）：12147-12152.

［17］ Belenky P，Ca macho D，Collins JJ.Fungicidal drugsinduce a co m m on oxidative-damage cellular death path way［J］.Cell reports，2013，3（2）：350-358.

［18］ Kalghatgi S，Spina CS，Costel lo JC，et al.Bactericidal antibiotics induce mitochondrial dysfunction and oxidative da mage in ma m malian cells［J］.Sci Transl M ed，2013，5（192）：192ra85-192ra85.

［19］ Brynildsen M P，Winkler JA，Spina CS，et al.Potentiating antibacterial activity by predictably enhancing endogenous microbial R O S production［J］.Nat Biotechnol，2013，31（2）：160-165.

［20］ Col l ins JJ，Donadio S.Expanding and enhancing our antibacterial arsenal［J］.Curr O pin Microbiol，2011，14（5）：511-512.

［21］ Liu Y，Imlay JA.Cell death fro m antibiotics without the involvement of reactive oxygen species［J］.Science，2013，339（6124）：1210-1213.

［22］ Keren I，W u Y，Inocencio J，et al.Killing by bactericidal antibiotics does not depend on reactive oxygen species［J］. Science，2013，339（6124）：1213-1216.

［23］ Ezraty B，V ergnes A，Banzhaf M，et al.Fe-S cluster biosynthesis controls uptake of a minoglycosides in a R O S-less death path way［J］.Science，2013，340（6140）：1583-1587.

［24］ Foti JJ，Devadoss B，Winkler JA，et al.O xidation of the guanine nucleotide pool underlies cell death by bactericidal antibiotics［J］.Science，2012，336（6079）：315-319.

［25］ D wyer DJ，Camacho D M，K ohanski M A，et al.A ntibioticinduced bacterial cell death exhibits physiological and biochemical hallmarks of apoptosis［J］.M ol Cell，2012，46（5）：561-572.

［26］ Allison K R，Brynildsen M P，Collins JJ.M etabolite-enabled eradication of bacterial persisters by aminoglycosides［J］. Nature，2011，473（7346）：216-220.

［27］ W aka m oto Y，Dhar N，Chait R，et al.Dyna mic persistence of antibiotic-stressed m ycobacteria［J］.Science，2013，339（6115）：91-95.

［28］ L uria SE，Delbrück M.M utations of bacteria fro m virus sensitivity to virus resistance［J］.Genetics，1943，28（6）：491.

［29］ W right G D.Q&A：A ntibiotic resistance：w here doesit co me fro m and w hat can we do about it？［J］.B M C Biol，2010，8（1）：123.

［30］ Arias C A，M urray B E.A ntibiotic-resistant bugs in the 21st century—a clinical super-challenge［J］.N Engl J M ed，2009，360（5）：439-443.

［31］ Nagel R，Chan A.Mistranslation and genetic variability：the effect of strepto m ycin［J］.M utat Res，2006，601（1）：162-170.

［32］ A ndersson DI，H ughes D.Evolution of antibiotic resistance at non-lethal drug concentrations［J］.Drug Resistance U pdates，2012，15（3）：162-172.

［33］ Kaufmann BB，Hung D T.The fast track to multidrug resistance［J］.M ol Cell，2010，37（3）：297-298.

［34］ Nair C G，Chao C，Ryall B，et al.Sub-lethal concentrations of antibioticsincrease m utation frequency in the cystic fibrosis pathogenPseudomonas aeruginosa［J］.Lett A pp Microbiol，2013，56（2）：149-154.

［35］ Toprak E，Veres A，Michel JB，et al.Evolutionary paths to antibiotic resistance under dyna mically sustained drug selection［J］.Nat Genet，2012，44（1）：101-105.

［36］ Kint CI，V erstraeten N，Fauvart M，et al.N ew-found funda mentals of bacterial persistence［J］.Trends Microbiol，2012，20（12）：577-585.

［37］ A ndersson DI.Persistence of antibiotic resistant bacteria［J］. Curr O pinion Microbiol，2003，6（5）：452-456.

［38］ Chopra I，O′Neill AJ，Miller K.T he role of m utators in the emergence of antibiotic-resistant bacteria［J］.Drug Resist U pdat，2003，6（3）：137-145.

［39］ Michael B.After 30 years ofstudy，the bacterial SOS response still surprises us［J］.P LoS Biol，2005，3（7）：e255.

［40］ Baharoglu Z，M azel D.Vibrio cholerae triggers S O S and m utagenesisin response to a wide range of antibiotics：a route towards m ultiresistance［J］.A ntimicrob Agents Chem other，2011，55（5）：2438-2441.

［41］ Dörr T，Lewis K，Vul ic＇M.SOS response induces persistence to fluoroquinolones inEscherichia coli［J］.PLoSgenetics，2009，5（12）：e1000760.

［42］ Cirz R T，Jones M B，Gingles N A，et al.Co m plete and S O S-mediated response ofStaphylococcus aureusto the antibiotic ciprofloxacin［J］.J Bacteriol，2007，189（2）：531-539.

［43］ U noson C，W agner E G.A small SO S-induced toxin is targeted against the inner mem brane inEscherichia coli［J］. M ol Microbiol，2008，70（1）：258-270.

［44］ Beaber J W，H ochhut B，W aldor M K.SOS response promotes horizontal dissemination of antibiotic resistance genes［J］. Nature，2004，427（6969）：72-74.

［45］ G uerin É，Ca m bray G，Sanchez-Alberola N，et al.T he S O S response controls integron reco m bination［J］.Science，2009，324（5930）：1034.

［46］ Cambray G，Sanchez-Alberola N，Campoy S，et al.Prevalence of S O S-mediated control of integron integrase expression as an adaptive trait of chro m oso mal and m obile integrons［J］.M ob D N A，2011，2（1）：6.

［47］ H ocquet D，Llanes C，T houverez M，et al.Evidence for induction of integron-based antibiotic resistance by the S O S response in a clinical setting［J］.P LoS pathogens，2012，8（6）：e1002778.

［48］ W u J，Long Q，Xie J.（p）ppGpp and drug resistance［J］.J Cell Physiol，2010，224（2）：300-304.

［49］ Kriel A，Bittner A N，Kim S H，et al.Direct regulation of G T P ho meostasis by （p）ppG pp：a critical co m ponent ofviability and stress resistance［J］.M ol Cell，2012，48（2）：231-241.

［50］ Po m ares M F，Vincent P A，Farías R N，et al.Protective action of ppG pp in microcin J25-sensitive strains［J］.J Bacteriol，2008，190（12）：4328-4334.

［51］ A branches J，M artinez A R，Kajfasz JK，et al.The m olecular alarm one（p）ppG pp mediates stress responses，vanco m ycin tolerance，and virulence inEnterococcus faecalis［J］.J Bacteriol，2009，191（7）：2248-2256.

［52］ M w angi M M，Kim C，C hung M，et al.W hole-geno m e sequencing reveals a link betweenβ-lactam resistance and synthetases of the alarm one（p）ppG pp inStaphylococcus aureus［J］.Microb Drug Resist，2013，19（3）：153-159.

［53］ Chiang V，W ong B，W ong C，et al.O n the limited role of relA in kanam ycin and a mino acid starvation induced stringency and subsequent antibiotic cross-protection in Escherichia coli［J］.J Exp Microbiol Im m unol，2011，15：59-63.

［54］ Chenne W，Ng L，Pa m bid M R.Assessing the role of SpoT and RelA in capsular polysaccharide synthesis after treatment with sub-lethal concentrations of kana m ycin to confer decreased antibiotic sensitivity inEscherichia coli［J］.J Exp Microbiol Im m unol，2011，15：52-58.

［55］ M aisonneuve E，Castro-Ca margo M，Gerdes K.（p）ppGpp controls bacterial persistence by stochastic induction of toxinantitoxin activity［J］.Cell，2013，154（5）：1140-1150.

［56］ Eng R H，Padberg F T，S mith S M，et al.Bactericidal effects of antibiotics on slowly growing and nongrowing bacteria［J］. A ntimicrob A gents Chem other，1991，35（9）：1824-1828.

［57］ N guyen D，Joshi-Datar A，Lepine F，et al.Active starvation responses mediate antibiotic tolerance in biofilms and nutrient-limited bacteria［J］.Science，2011，334（6058）：982-986.

［58］ H offman L R，Richardson A R，H ouston LS，et al.N utrient availability as a mechanism for selection of antibiotic tolerant Pseudomonas aeruginosa within the C F airway［J］.PLoS pathogens，2010，6（1）：e1000712.

［59］ Fuller E，Elmer C，Nattress F，et al.β-lacta m resistance in Staphylococcus aureuscells that do not require a cell wall for integrity［J］.A ntimicrob A gents Chem other，2005，49（12）：5075-5080.

［60］ Mishra N N，Yang SJ，Sawa A，et al.Analysis of cel l membrane characteristics of in vitro-selected dapto m ycin-resistant strains of methicillin-resistantStaphylococcus aureus［J］. A ntimicrob A gents Chem other，2009，53（6）：2312-2318.

［61］ Perron K，Caille O，Rossier C，et al.CzcR-CzcS，a twoco m ponent system involved in heavy metal and carbapenem resistance inPseudomonas aeruginosa［J］.J Biol Chem，2004，279（10）：8761-8768.

［62］ Aiassa V，Barnes AI，Smania A M，et al.Sublethal ciprofloxacin treatment leads to resistance via antioxidant systems in Proteus mirabilis［J］.F E M S Microbiol Lett，2012，327（1）：25-32.

［63］ Begley M，Cotter PD，Hi l l C，et al.Glutamate decarboxylasemediated nisin resistance in Listeria m onocytogenes［J］.A ppl Environ Microbiol，2010，76（19）：6541-6546.

［64］ Lee H H，M olla M N，Cantor C R，et al.Bacterial charity work leads to population-wide resistance［J］.Nature，2010，467（7311）：82-85.

［65］ Gusarov I，Shatalin K，Starodubtseva M，et al.Endogenous nitric oxide protects bacteria against a wide spectru m of antibiotics［J］.Science，2009，325（5946）：1380-1384.

［66］ Shatalin K，Shatalina E，Mironov A，et al.H2S：a universal defense against antibiotics in bacteria［J］.Science，2011，334（6058）：986-990.

［67］ Jia X，Z hang J，Sun W，et al.Riboswitch control of a minoglycoside antibiotic resistance［J］.Cell，2013，152（1）：68-81.

［68］ Kannan K，V ázquez-Laslop N，M ankin A S.Selective protein synthesis by riboso mes with a drug-obstructed exit tunnel［J］.Cell，2012，151（3）：508-520.

From target to network：research updates on the mechanisms of antimicrobial action and bacterial resistance

C H E ND aijie. （ChinaStateInstituteofP harm aceuticalIndustry，Shanghai Instituteof P harm aceutical Industry，State Key Laboratory of N ew Drug&P harm aceutical Process，Shanghai 200040，China）

R966

A

1009-7708（2015）01-0084-07

2014-03-25

2014-07-01

2013年国家自然科学基金面上项目（81273413）；2014年国家自然科学基金面上项目（81373310）。

中国医药工业研究总院，上海 200040。

陈代杰（1957—），男，博士，研究员，主要从事抗微生物药物开发。

陈代杰，E-mail：hccb001@163.co m。