淋病奈瑟菌耐药外排泵研究进展

淋病奈瑟菌耐药外排泵研究进展

周可;陈绍椿;尹跃平

【摘要】淋病奈瑟菌多重耐药是淋病防治的一项难题,主动外排系统是引起该菌多重耐药的主要机制.至今发现淋病奈瑟菌4个外排泵系统,分别为:MtrCDE、MacAB、NorM和FarAB,在一些菌株还发现MtrF泵蛋白.本文就外排泵系统的组成、功能、基因调控等方面的研究现状进行综述.

【期刊名称】《中国麻风皮肤病杂志》

【年(卷),期】2018(034)012

【总页数】5页(P755-759)

【关键词】淋病奈瑟菌;外排泵;多重耐药

【作者】周可;陈绍椿;尹跃平

【作者单位】中国医学科学院北京协和医学院皮肤病研究所,南京, 210042;中国医学科学院北京协和医学院皮肤病研究所,南京, 210042;中国医学科学院北京协和医学院皮肤病研究所,南京, 210042

【正文语种】中文

淋病(gonorrhea)是由淋病奈瑟菌(Neisseria gonorrhea)所致的泌尿生殖系统化

脓性炎性疾病。目前，淋病仍是全球最常见性传播疾病，仅在2012年全球新发病例78,000,000例[1]。中国每年报告约11.5万例新发淋病病例，最新调查结果表明，2013-2016年期间，阿奇霉素耐药和头孢曲松耐药的比例都有所增加，较日

本略低，明显高于美洲和欧洲等国家的报道[2]。抗生素是淋病治疗的唯一有效手段，由于抗生素的广泛使用，淋球菌对抗生素的耐药明显增加，给防治和控制本病带来严重困难。在奈瑟菌属，目前已有研究的4个外排泵系统分别为：MtrCDE、MacAB、NorM和FarAB。其中MtrCDE，MacAB，NorM和FarAB系统分别属于耐药节结化细胞分化家族(resistance/nodulation/cell division family，RND)、ATP结合盒超家族(ATP-binding cassette superfamily ABC)、多药及毒性化合物外排家族(multidrug and toxic compound extrusion family，MATE)和主要易化子超家族(major facilitator superfamily，MF)。此外一些菌株还发现MtrF以及一种由mef编码的泵蛋白。淋病奈瑟菌的MtrCDE可以排出不同的疏水性抗菌药物，如青霉素、广谱头孢菌素、环丙沙星和四环素、胆盐、阳离子抗菌肽；MacAB与淋球菌对青霉素G的敏感性增加有关；同时MtrCDE和FarAB也会参与排出内源性抗菌剂，包括阳离子抗菌肽和长链脂肪酸。对于这几种泵的研究逐渐深入，对于有关淋球菌流行病学研究，淋球菌发病机制以及新药开发均有一定作用。下面对几种外排泵的结构、功能、调控及突变对淋球菌多重耐药的影响分别进行介绍。

1 MtrCDE-MtrR

淋球菌主要侵犯黏膜表面，这些部位通常被含有脂溶性因子(hydrophobic agents, HAs)如:毒性脂酸、胆盐等的黏液覆盖。早在1978年，Sparling即在HAs抵抗的分子机制尚不清楚的情况下，发现mtr(multiple transferable resistance)系统，即多重可传递耐药系统，它的存在可以帮助淋球菌抵抗粪便中脂类及胆盐的毒性而生存于特定器官的黏膜表面。淋球菌对HAs耐受性是因为菌体细胞能把HAs其有效地排出细胞体外[3]。mtr作为一个以质子运动提供能量的能量依赖型外排泵，与其它一些细菌的外排系统类似，如绿脓杆菌的mexAB-oprM系统、大肠杆菌的acrAB 和 acrEF-TolC系统等[4]。完整的淋球菌mtr外排系统是一个多重可传递

耐药操纵子，包括mtrR调控基因及mtrCDE基因复合物,其中mtrC、mtrD、mtrE三者的开放阅框呈串联排列形成一共转录体即mtrCDE[5]。下面分别介绍mtrCDE，mtrR的结构功能及调控系统。

1.1 mtrCDE-mtrR的编码基因及结构功能 mtrC为膜融合蛋白类辅助蛋白，mtrD 为外排蛋白，mtrE为外膜通道蛋白。mtrC使位于细胞膜的mtrD与外膜的mtrE 相连接，依赖质子耦联交换产生的质子驱动力将胞内及胞间隙的底物泵出细菌。mtrR为调控基因编码阻遏蛋白，抑制mtrCDE的外排功能。

1.1.1 mtrC mtrC基因由1239 bp组成，编码大小44kDa的膜蛋白，位于细胞周质间隙归属于MFPs家族，其编码蛋白与大肠杆菌的McrA及EnvC蛋白、绿脓

杆菌的MexA蛋白有同源性。编码该蛋白的基因受位于上游250 bp处的mtrR表达调控，同时mtrC内若含有4 bp的缺失(349-GCGC-352)，将在mtrC基因链

上产生一个新的终止密码，而生成面目全非的mtrC蛋白，从而影响mtr外排泵

系统的完整性[6,7]。

1.1.2 mtrD mtrD基因由3204 bp组成，是mtr系统中最大的，起始密码子依次位于mtrC终止密码子下游12 bp处，编码大小33KDa膜蛋白，其包括14个螺

旋结构和两个环形结构，位于细胞质膜。该蛋白与大肠杆菌的AcrE蛋白和绿脓杆菌的MexB蛋白同源，同属于RND家族成员，为能量依赖型蛋白运输抗生素及细菌产物至菌体细胞外液。mtrD带有一个56个氨基酸的信号肽可能对淋球菌细胞

内HAs的浓度变化敏感，并将信号传递给mtrD[8,9]。

1.1.3 mtrE mtrE基因位于mtrD终止密码TAA的52bp下游，由1404bp组成，编码48.3KDa膜蛋白，属外膜外排蛋白，与绿脓杆菌OprM蛋白和大肠杆菌

TolC蛋白功能一致。其部分基因序列与绿脓杆菌的oprM基因有36.2%的同源性[10,11]。mtrE是一种由三个结构域组成的同质三聚体：一个嵌入在外膜中的β桶结构域，一个α桶结构域，将100多个结构域投射到细胞质周围，以及一个位于

α桶中间的赤道结构域。到目前为止，mtrE是唯一在结构上确定显示开放构象的RND家族外膜通道蛋白[12]。有学者通过全原子分子动力学模拟分析发现，膜融

合蛋白MtrC与膜外表面的结合能稳定通道的开放状态，因此发现MtrCDE的外

膜通道蛋白和膜融合蛋白之间的接触区域可帮助外部药物流出管道开放和封闭状态之间的转换，这个界面可能是一个潜在的干预位点[13]。

1.1.4 mtrR mtrR基因位于mtrC基因的上游，由633bp组成，是外排系统最小

的基因，编码蛋白分子量为23KDa，由210个氨基酸组成。MtrR蛋白作为QacR/TetR家族成员，尤其与四环素抑制子家族、LuXR转录活化子具有同源性。结合于mtrCDE基因启动子区域对mtr系统的转录起负调控作用[14]。

1.2 mtr系统的调控目前已知mtr系统对淋球菌多重耐药在基因水平上有两种调

控机制，分别为mtrR依赖调节机制和非mtrR依赖调节机制。前者由于mtrRCDE基因复合物中mtrR基因有缺失或突变引起；后者是mtrR启动区的13 bp插入一重复序列，这个序列是一个反转控制序列，它位于mtrR和mtrC基因(-10～-35)之间，此序列中的一对碱基缺失，对mtrR和mtrC基因的表达有相反的作用，使mtrR基因表达减少，mtrC基因表达增加，从而使淋球菌对HAs的耐受性增加。由于mtrR基因编码转录抑制蛋白，mtrR基因的突变导致外排泵抑制作

用减弱或消失，使mtrR基因下游的mtrCDE基因转录开放，细胞膜中的mtrCDE 蛋白增多。过多的mtrCDE蛋白使外排系统功能增强，故增加了对多种不利于淋

球菌生长的物质的抵抗力[15]。此外，在mtrR启动区13 bp重复序列2个碱基

TT的插入，直接导致86位氨基酸Thr转变成Ala以及105位氨基酸His转变成Tyr，从而导致淋球菌对红霉素及阿奇霉素敏感性降低或产生耐药[16]。为了定义

由mtrR调控的基因，采用微阵列技术对MtrR阳性和MtrR阴性淋球菌的中对数期发酵液中提取的总RNA进行分析，发现mtrR可以直接或间接地调节69个基因，其中被抑制基因(包含mtrCDE操纵子)有47个，被激活基因有22个。其中