作者：高晓攀

本文为阅读 Germain E, Castro-Roa D, Zenkin N, et al. Molecular Mechanism of Bacterial Persistence by HipA[J]. Molecular Cell, 2013, 52(2):248-254.的读后感，读后感

众所周知，抗生素的大量使用，引发了细菌耐药性的发生。因此，单耐药、多耐药和超耐药的超级细菌已经司空见惯。与细菌耐药性不同，细菌持留感染是在抗生素的选择压力下，细菌处于暂时休眠的状态。这就像具有“冬眠”的动物一样，诸如黑熊、蝙蝠和蛇等，这些动物在冬季或者极端环境条件下（如食物缺少等），其生命活动处于极度降低的状态，有些动物在寒冷的冬季其体温甚至可以接近到环境温度（0摄氏度），全身麻痹。有研究表明人类或也具备动物一样的冬眠能力。人类冬眠的终极证据出自日本人打越三敬（Mitsutaka Uchikoshi）的案例。2006年他在雪山上被困24天，经历了体温过低的极端情况，并失去知觉。负责给打越三敬治疗的那家医院的急诊室主任佐藤慎一（Shinichi Sato）曾说：“他陷入一种类似冬眠的状态，他的很多器官的活性降低，但是他的大脑受到了很好的保护。”据医生估计，在山上的24天里，打越三敬体内的温度已经下降到22摄氏度，但是在医院恢复意识后，他的大脑完全恢复过来。因此，在进化过程中，细菌存在这种本能也不足为奇。因此持留菌的定义为：某个细菌群体中一定比例表型异化的小亚群，表现为暂时休眠状态或缓慢生长状态，可耐受致死浓度的抗生素，但这种抗菌药物耐受性并不能像耐药性那样可以遗传，当持留菌被再次培养时，可恢复到原来的生长状态，并与被杀灭的细菌保持同源性。因此持留菌在体内抗菌药物浓度降低和机体免疫力低下时可以再次引发感染。临床上控制耐药突变可以更换抗生素，但对于持留菌的清除还没有有效的治疗手段。而结核分枝杆菌在宿主体内的非增殖方式的持留状态，也是其病程迁徙和反反复复的诱因。

越来越多的研究表明，细菌的毒素和抗毒素（TA）系统与细菌的持留状态有关。TA分子是由两个基因组成的操纵子，其中一个编码稳定的毒素，该毒素以各种各样的方式抑制细胞的功能。另一个基因编码不稳定的，可以拮抗毒素的抗毒素蛋白。目前的研究表明，TA主要有三大功能：第一，分裂后致死效应（post-segregational killing），阻止质粒在后代细胞中丢失；其二是顿挫感染（abortive infection），阻止噬菌体的感染；最后是持留菌的形成。而这些功能核心本质均是干扰细胞功能从而抑制细菌生长。其通过裂解、降解和修饰细胞内的靶点而发挥功能。因此绝大多数毒素是核酸酶和核酸内切酶（裂解rnRNA, tRNA和rRNA等）。而有些毒素通过修饰细胞内靶点发挥毒性作用，比如Doc激酶可以修饰EF-Tu使其磷酸化，从而抑制翻译(Castro-Roa et al., 2013)。HipA修饰谷氨酰tRNA合成酶，使其磷酸化，参与细菌的持留(Germain et al., 2013)。FicT通过AMP转移酶的活性抑制DNA解旋酶和DNA拓扑异构酶IV(Harms et al., 2015)（图1）。

图1 毒素作用靶点的机制(Harms et al., 2018)

纵观毒素研究进程，其中研究最为热门毒素分子是II型毒素分子HipA。HipA最早在20世纪80年代通过分子遗传学的筛选发现，HipA基因突变，其细菌的持留性增加上千倍。2009年，美国的结构生物学家Maria A.Schumacher（解析了ParB晶体）(实验室主页http://www.dukeschumacherlab.com/publications.html)等在Science报道解析了HipA的晶体结构，明确了HipA含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶模序，其通过磷酸化EF-TU，参与了翻译抑制(Schumacher et al., 2009)，从而与细菌持留性有关。然而，该文章一经报道，就争议不断。时隔4年，2013年，国际上的两个研究小组（英国的Kenn Gerdes和以色列的Gad Glaser）分别在Molecular cell (Germain et al., 2013)和Nature Communication(Kaspy et al., 2013)通过相同的方法对大肠杆菌基因组文库进行筛选，明确了HipA的真正靶点是谷氨酰tRNA合成酶（Gltx），HipA通过磷酸化Gltx的活性中心的Ser239，抑制了氨酰化反应，从而导致细胞内产生大量不带电荷的tRNA^Glu，细胞产生急性应激反应，细胞进入休眠状态。从而引发持留现象。（图2）

图2 HipA作用的分子机制(Germain et al., 2013)

参考文献：

Castro-Roa, D., Garcia-Pino, A., De Gieter, S., Van Nuland, N.a.J., Loris, R., and Zenkin, N. (2013). The Fic protein Doc uses an inverted substrate to phosphorylate and inactivate EF-Tu. Nature Chemical Biology 9, 811. doi: 10.1038/nchembio.1364

Germain, E., Castro-Roa, D., Zenkin, N., and Gerdes, K. (2013). Molecular Mechanism of Bacterial Persistence by HipA. Molecular Cell 52, 248-254. doi: 10.1016/j.molcel.2013.08.045.

Harms, A., Brodersen, D.E., Mitarai, N., and Gerdes, K. (2018). Toxins, Targets, and Triggers: An Overview of Toxin-Antitoxin Biology. Molecular Cell. doi: 10.1016/j.molcel.2018.01.003.

Harms, A., Stanger, Frédéric v., Scheu, Patrick d., De jong, Imke g., Goepfert, A., Glatter, T., Gerdes, K., Schirmer, T., and Dehio, C. (2015). Adenylylation of Gyrase and Topo IV by FicT Toxins Disrupts Bacterial DNA Topology. Cell Reports 12, 1497-1507. doi: 10.1016/j.celrep.2015.07.056.

Kaspy, I., Rotem, E., Weiss, N., Ronin, I., Balaban, N.Q., and Glaser, G. (2013). HipA-mediated antibiotic persistence via phosphorylation of the glutamyl-tRNA-synthetase. Nature Communications 4, 3001. doi: 10.1038/ncomms4001

Schumacher, M.A., Piro, K.M., Xu, W., Hansen, S., Lewis, K., and Brennan, R.G. (2009). Molecular Mechanisms of HipA-Mediated Multidrug Tolerance and Its Neutralization by HipB. Science 323, 396-401. doi: 10.1126/science.1163806.