开展对作为病原体的结核分枝杆菌在胆固醇分解代谢研究成果给Biotech应用带来的启示

                     杨顺楷      四川    成都

波兰学者发表在细菌学杂志上的一篇论文（J.Bacteriol，2009，191（21）：6584-91）作了如下论述。如所预期，人体专性病原菌结核分枝杆菌在其宿主感染循环周期期间，处于宿存和再活化状态，必须代谢性适应多种可行的营养物质。存在于哺乳类细胞质膜的重要组成部分——胆固醇，是一种潜在的能源物质。该实验研究表明，结核分枝杆菌可生长培养在除了胆固醇以外，含有碳源的培养基条件下，它可以在其细胞壁无有脂质区域积累起胆固醇。该胆固醇物质的积累作用，降低了对于常规基本的抗结核药物，如利福平，以及部分作为分枝杆菌防护层表面抗原细胞壁的透性。因此，结核分枝杆菌能够在仅提供了胆固醇作为唯一碳源的无机盐培养基上生长培养。此外，结核分枝杆菌酮型甾体脱氢酶基因（kstD）靶向消除条件下，可以抑制结核分枝杆菌的生长，这是由于失活了胆固醇的生化降解途径，证据就是发现积累了甾体中间体9-OH-4-雄甾烯-3，17-二酮（9-OHAD）。还发现结核分枝杆菌能够在存在有可替代营养物质条件下积累胆固醇，并可以利用它，即是说胆固醇是唯一在体外碳源，这就可以推动对这一致死性病原菌作进一步深入研究病理学。

胆固醇是哺乳类细胞一种重要的膜成份。这些内容已经在对其结构、信号 传导和物质运输作了充分报道，此处实验研究证明结核分枝杆菌依赖于营养可行性而能够累积和利用胆固醇。胆固醇的累积作用能够改变芽孢杆菌细胞壁的透性，其利用过程须得要求具有全套的酮型甾体脱氢酶。从体外试验得出的结核分枝杆菌鉴定结论还不能够直接用于讨论病原体的作用过程。

研究者发现的结核分枝杆菌生长培养本体证据，提示胆固醇可能在结核病病原体发病机制方面起作用。传染性病原微生物结核分枝杆菌，一旦通过呼吸道吸入，借助肺泡的免疫系统巨噬细胞所吞噬；分枝杆菌的吸收依赖于胆固醇在细胞质膜筏脂的存在。此处的累积是分枝杆菌进入的位点。病原分枝杆菌能够在其宿主的巨噬细胞吞噬体中生存，须得以其成熟作用而不同溶酶体融合。假定阻断吞噬体成熟，须得吞噬体膜与进入的分枝杆菌表面直接接触。当感染了分枝杆菌的吞噬体，在胆固醇缺失环境下,已经表明提高了成熟度抑制作用，促成吞噬-溶酶体融合。于是在吞噬作用期间，胆固醇的结合，以及结核分枝杆菌在细胞内的存活,似乎是关键条件。在病原体感染阶段，胆固醇的积累会给予结核杆菌在宿主体内有优势环境条件。研究者认为胆固醇的累积作用，导致改变芽孢杆菌细胞壁透性，体外抑制了毒性化合物的摄取，如利福平，一种主要的抗结核药物。胆固醇的累积，至少部分在体外阻挡表面抗原，这就提示它可有助于屏蔽来自宿主免疫系统的分枝杆菌。

伴随着结核分枝杆菌感染了巨噬细胞，这就表明不可能杀死胞内会成熟的病原体，并聚集形成含有淋巴细胞，胞外基质成份，钙化灶，以及甘酪似的坏死肉芽肿块，使得限制和/或根除大部分结核杆菌。但是，有些芽孢杆菌能够在肉芽肿块内存活，造成后续感染；以至于对感染者可能终身伴随着结核病再度活化，导致多种传染结核病。胆固醇作为碳源和能源是否能够长期持久支持结核杆菌的存在？至今尚不可知或不确定性。

近期一致认为，结核分枝杆菌拥有全部的可分解代谢胆固醇的全部基因。经由对胆固醇分子的侧链降解 、甾核四环结构的裂解，后续通过进入三羧酸循环，直到成为二氧化碳。然而，其中的许多基因是经由胆固醇可诱导，经由小鼠的体内试验，基本上证实了芽孢杆菌在巨噬细胞中的存活状态。这是借助广泛基因组筛选所得出的结论。通过对胆固醇转运体的突变和胆固醇氧化酶基因实验研究，发现在巨噬细胞中的结核分枝杆菌，结合鼠感染模型体内试验，存在毒性减弱的趋势。这些发现表明对胆固醇的转运和利用，在感染过程期间，对于分枝杆菌的结局是关键。

迄今为止，已经有的直接证据表明，结核分枝杆菌对胆固醇甾体环结构的降解，是经由雄甾烯二酮（4AD）/雄甾1，4-二烯-二酮的途径发生。之所以积累这两种胆固醇分解代谢中间体，就是借助对分解代谢途径对酮型甾体脱氢酶的破坏，造成对分解代谢过程的抑制作用，于是就积累起了AD/ADD,9-OHAD 中间体甾体化合物。 这些都是具有甾体药物工业生物技术用途的有用中间体。对于胆固醇降解，自然须得要求存在具有活性的两种催化酶系，即酮型甾体脱氢酶（kstD）和涉及一类铁依赖外在双加氧酶系（hsaC），这就与胆固醇降解，打开A环过程有关。因此，畅通的生化代谢途径，就给结核分枝杆菌在感染期间，可以在宿主的巨噬细胞中的存活提供了基本条件。

基于现在和过去的研究工作成果，可以推定芽孢杆菌感染的早期阶段，病原体分枝杆菌结合和积累宿主的胆固醇，用以缓冲其进入巨噬细胞的内化作用，并抑制巨噬细胞的成熟。该积累作用可能通过影响脂筏而改变细胞信号，从而经由降低其细胞壁透性，保护结核杆菌对抗抗结核药物毒性。于是当其它营养物质可能不可行时，胆固醇就成为结核杆菌的碳源和能源，这就导致结核分枝杆菌可以长期在宿主体内存活。这就是为什么结核病长期难以有“特效药”治疗的医学生物学的分子理论基础。