SOS反应在病原菌中对抗生素耐药形成研究进展

徐冠艺，李雪嵩，薛智洋，尹啸啸，宗小梅，张海朋，贺承光，孔令聪*,马红霞，2，3

(1.吉林农业大学 动物科学技术学院 吉林省新兽药研发与创制重点实验室，吉林 长春 130118；2.吉林农业大学 生命科学学院，吉林 长春 130118；3.吉林农业大学 生物反应器与药物开发教育部工程研究中心，吉林 长春 130118)

近年来，新型抗感染药物的开发已陷入瓶颈，而多重耐药菌株的不断出现，促使对耐药机制展开研究，发现潜在耐药抑制剂靶点，筛选新型耐药抑制剂来延缓耐药性的产生速率[1-2]。病原菌对抗生素的耐药形成主要通过引起如活性氧的异常代谢、基因的水平转移、生物被膜的形成等方式，而这些生物过程均有SOS反应通路基因参与调控引发RecA/LexA介导的SOS反应[3]。因此，参与SOS反应调控的相关蛋白已被视为阻止抗生素耐药性进化的有效靶点。

氟喹诺酮类等杀菌药物是SOS表达的有效诱导剂[4-5]，SOS反应是通过修复由抗菌药物直接引起的DNA损伤，或由代谢产物和氧化应激反应间接引起的DNA损伤来对抗抗生素压力[6]。同时，由于SOS反应的启动，导致细菌对抗菌药物产生耐受性，降低抗菌药物的治疗效果。为此，对SOS反应在细菌耐药性和耐受性中的核心作用及其在不同致病菌中的研究进展进行综述，为SOS反应耐药抑制剂靶点的筛选奠定基础。

1 SOS反应对细菌耐药形成的影响

近年来相关研究表明，抗生素治疗可使细菌产生适应性突变[7]，适应性机制和耐药基因元件的获得是激活SOS反应系统的一部分，其涉及DNA损伤修复、水平基因转移(HGT)机制、抗生素耐药诱导等。

1.1 SOS在DNA损伤修复中的作用SOS的诱导是由细胞内ssDNA水平升高触发的，因为DNA聚合酶在受损的核苷酸上停滞不前，但解旋酶仍存在解离DNA的活性。在DNA复制过程中，滞后链和前导链上的模板损伤也会产生ssDNA。ssDNA是在水平基因转移过程中瞬时产生的[8-9]。杀菌抗菌药物是SOS反应的有效诱导剂，几种临床上重要的抗生素，如磺胺类、氟喹诺酮类、β-内酰胺类和氨基糖苷类，均可通过诱导产生致死水平的氧化自由基而产生杀菌作用。其超氧阴离子自由基或羟自由基的产生可导致DNA损伤，从而激活SOS反应[10]。SOS反应对受损DNA的细胞修复没有特殊的诱导作用，但可能具有广泛的生理作用，已有研究报道SOS反应可在不同菌株的应激条件或致病过程中激活[11]，但除了DNA损伤之外，还有哪些因素可诱导SOS反应，以及SOS诱导是如何在生物体中进行的，还需进一步的研究。

1.2 SOS在抗生素耐药诱导中的直接作用一些SOS诱导蛋白的过表达与许多抗生素的敏感性降低有关。CRIZ等[12]研究表明，亚抑菌浓度的氟喹诺酮类药物能激活霍乱弧菌SOS反应，从而导致该菌对其他不相关药物产生耐药性。BAHAROGLU等[13]研究证明，在一个抑制LexA活性的大肠杆菌突变体中抑制SOS启动，可抑制作用于DNA类抗生素耐药性的出现。此外，DNA损伤可由几种抗生素直接造成，也可由次级代谢产物间接造成。据报道，在亚抑菌浓度氟喹诺酮类药物、β-内酰胺类、四环素类药物作用下，可诱导不同细菌的SOS反应[14]。当病原菌暴露于氟喹诺酮类药物后，SOS反应的激活增加了106倍的突变频率，促进了gyrA基因突变，赋予了对这类抗菌药物的耐药性[15]。

1.3 SOS在耐药基因水平转移中的作用环境中耐药性质粒水平转移往往发生在抗菌药物压力作用下[15]。其中，远低于治疗水平的抗生素浓度可作为信号分子和调节物质，诱导结合转移、诱变和SOS反应，引起特定的转录变化，并为耐药菌株提供选择性优势。HGT参与的外源DNA摄取触发ssDNA的形成，并通过ssDNA的积累诱导SOS反应[8]。在一些接合质粒中也已证明SOS抑制剂的存在，如R64drd和R100-1质粒携带编码SOS诱导抑制剂的psiB基因。PsiB是从PsiB高产细胞的粗提物中提纯而来的，它是一种抗SOS反应蛋白，PsiB蛋白在传递给大肠杆菌K-12受体的过程中被野生型的F性因子瞬时表达以保护接合后转移的F单链DNA。当PsiB蛋白过表达时，可干扰不连续DNA复制产生的染色体ssDNA位点上的RecA蛋白，从而引起SOS抑制表型[16-18]。

2 SOS反应对不同病原菌耐药形成的调控

2.1 大肠杆菌近年来，有关大肠杆菌Ⅰ类毒素-抗毒素tisB/IstR模块激活是涉及SOS系统的主要研究热点。tisAB/istR(一种特殊的SOS-TA位点)的敲除显著降低了持留菌对DNA损伤剂的耐受性。当其循序渐进地暴露于环丙沙星压力中，会以一种tisAB依赖的机制引起持留，SOS响应诱导的持留与TisB在大肠杆菌中的过表达有关。同时，许多细菌基因组含有的TA系统(CcdA、CcdB)，作为一种典型的毒素-抗毒素系统，CcdA能被一种名为Lon蛋白酶的酶迅速降解，有助于维持毒素和抗毒素的稳定水平，从而使毒素/抗毒素比率小于1，SOS反应可以由增加Lon蛋白酶活性或降低CcdA产量的刺激触发。此外，MILLER等[19]报道，β-内酰胺类抗生素通过DpiBA双组分信号转导系统在大肠杆菌中诱导SOS反应启动，使其能够在自身暴露于高浓度抗生素下维持生存状态。相关研究显示，暴露于某些β-内酰胺类药物会降低青霉素结合蛋白-3(PBP-3,ftsI编码)的活性，影响细胞壁的完整性，受损的PBP-3激活双组分信号转导系统DpiA/DpiB。DpiA与复制起点的相互作用与复制蛋白DnaA和DnaB的结合竞争,当过度表达时，DpiA可以中断DNA复制并诱导SOS反应[20]，从而抑制细胞分裂。

2.2 金黄色葡萄球菌在金黄色葡萄球菌中，只发现了16个LexA调控基因，包括容易出错的聚合酶UmuC[21]。相关研究显示，SOS反应在金黄色葡萄球菌抗菌药物耐药性的产生以及毒力岛SaPI上编码的毒力因子的表达和传播中起关键作用。在金黄色葡萄球菌中，抗生素诱导的SOS反应增加了小菌落变异(SCVs)的形成。带有AddAB复合体(在金黄色葡萄球菌中称为RexAB)、RecA和PolV的诱变DNA修复途径，通过增强过氧化氢酶的产生，激发了SCVs的亚群体对H2O2的抗性[22]。同时，SCVs是细菌对抗生素高度耐受的形式，SCVs可在高抗生素压力下存活，并导致慢性和反复感染。SCVs有几个表型特征可能会导致感染期间的持留，如细胞内存活、生物膜发育以及对抗生素的高度耐受性[23]。据报道，低浓度的过氧化氢通过诱导SOS反应诱导庆大霉素耐药SCVs的出现[23]。因此，SOS抑制剂也有可能被用作减少SCVs的形成，基于此可能开发一种新的治疗策略。

2.3 结核分枝杆菌(MTB)感染MTB的宿主，会使用一系列的压力来抑制MTB增殖，然而MTB可在宿主体内持续存在数十年，这表明其可能拥有有效的分子机制来抵抗宿主造成的损伤。在分枝杆菌中，有两种机制控制DNA损伤修复，一种是相对较小的LexA调节机制；另一种是由ClpR因子控制的较大的LexA独立机制[24]。相关研究显示，由dnaE2编码的DNA聚合酶Ⅲ中容易出错的α亚基对于感染期间的持留性和抗生素耐药性的产生是必需的，与含有容易出错的聚合酶的大肠杆菌不同，MTB携带一个分离盒imuA’-imuB/dnaE2。ImuA’和ImuB是Y家族DNA聚合酶，与C家族DNA聚合酶DnaE2一起对诱变和损伤耐受性至关重要[25]。ImuB与ImuA’和C家族DNA聚合酶DnaE2以及β-钳相互作用。细菌基因组由DNA聚合酶Ⅲ DNA聚合酶亚基(PolⅢ DNA)复制，属于α聚合酶C家族。Pol Ⅲα的两种主要形式被认为是Polc和DnaE(3个组：DnaE1、DnaE2、DnaE3)，推测是通过复制进化而来的[26]。而DnaE2是SOS诱变盒的一部分，存在于许多细菌基因组中，包括MTB，同时DnaE3的出错，也容易导致SOS反应的产生[27]。

3 SOS抑制剂

上述研究发现，SOS在不同致病菌耐药形成中发挥重要作用，为此研发SOS反应抑制剂受到了国内外科研工作者的高度关注。目前，已有多种SOS通路相关的基因作为抗菌药物抑制剂靶标被表征，如表1所示。理论上，SOS通路可以通过RecA的失活或抑制LexA的自切割活性来发挥作用[28]。ALAM等[29]已经鉴定和表征了酞菁四磺酸作为RecA抑制剂，它可以阻断抗生素诱导的SOS反应的激活。这些抑制剂增强了杀菌剂如氟喹诺酮类、β-内酰胺类和氨基糖苷类对革兰阴性和革兰阳性细菌的杀菌活性，并降低了细菌获得抗生素耐药性突变的能力。LAN等[30]研究发现酚类化合物对香豆酸可以抑制单核细胞增生李斯特菌中RecA与ssDNA结合、链交换、ATP水解的能力。双香豆酸这种抑制作用的机制涉及其干扰RecA蛋白与DNA结合的能力，还阻断了环丙沙星诱导的RecA表达，从而抑制了该菌株的SOS响应，减缓细菌耐药性的出现。可见，基于RecA的耐药抑制剂具有良好的与抗菌药物协同作用。但是相关研究也发现，LexA因没有真核同源物，宿主DNA修复系统中使用与RecA不同的RAD51家族同源物[31]，CIRZ等[12]研究发现，通过突变LexA的裂解活性来阻止SOS反应的启动，使得致病性大肠杆菌不能在体内对氟喹诺酮类抗菌药物产生耐药性。因此LexA也可能是SOS抑制剂的理想的靶点，但还需要进一步展开研究。

表1 参与SOS反应的蛋白质抑制剂

4 总结与展望

总之，随着近年来对耐药机制的深入研究，SOS反应与耐药形成之间的关系受到了极大的关注。细菌SOS反应通过诱导病原菌水平基因转移、促进生物被膜形成、引起SCVs的形成等手段密切参与致病菌耐药性形成的过程中。SOS反应相关基因可用作抗菌药物耐药抑制剂的靶标。国内外科研工作者也以基于SOS反应相关重要靶点开展了耐药抑制剂的研究，这些耐药抑制剂可以增强抗菌药物的抑菌活性并延缓其耐药性形成的时间。但如何确定耐药抑制剂的作用位点、SOS抑制剂是通过何种途径与抗生素联合作用于病原菌中仍有待研究。在未来，解决抗生素耐药性的问题可能需要多种药物的结合，包括毒力抑制剂和耐药性抑制剂。而所有SOS诱导蛋白的意义、它们的生理作用、SOS的环境和细胞诱导物、对其他细菌细胞的影响、全局调控机制以及SOS激活等都需要在未来的研究中进行深入研究。