解决一个谜：结核菌如何快速产生对抗生素的耐药性

表观遗传域中的DNA甲基化是TB细菌发展出相当快的抗生素抗性的关键。

这些缓慢生长的细菌长期以来一直困扰着结核病研究人员。事实证明答案在于表观遗传领域。

对于不经常繁殖的缓慢生长的微生物，导致结核分枝杆菌（TB）的病原体结核分枝杆菌一直困扰着研究人员，即它如何在几周到几个月的时间内如此迅速地产生对抗生素的抗药性。

现在，圣地亚哥州立大学的结核病研究人员已经找到了一个谜团的关键线索：答案可能在于表观遗传领域，而不是大多数科学家集中精力进行的遗传领域。

他们的发现可能有助于推进新的诊断方法，治疗方法和疫苗目标。

表观遗传学是对基因表达中可遗传变化的研究，该变化不涉及基础DNA序列的相应变化，即表型发生变化，但基因型没有变化。通过称为DNA甲基化的过程，该过程仅影响DNA的物理结构，在该过程中，化学“帽”被添加到DNA分子中，从而阻止或促进了某些基因的表达。

SDSU的研究人员将他们发现的快速反应现象描述为“细胞间镶嵌甲基化”，这一过程使结核分枝杆菌不断扩散，形成了多个具有各自表型的亚群。尽管抗生素可以杀死许多这些突变亚群，但至少有一些确实可以存活并发展出耐药性。

SDSU公立学校结核病专家Faramarz Valafar说：“我们相信，这也解释了为什么某些患者的诊断测试不能预测治疗失败，以及为什么一些患者数月后又以更强的抵抗力重新出现这种疾病，”研究肺部疾病的遗传学和表观遗传学的健康专家。“这也是为什么许多“治愈”患者的肺部CT扫描显示病变可能具有细菌活性的原因。

在全球范围内，结核病是十大死亡原因之一。根据世界卫生组织的数据，它在2018年造成150万人死亡，每年约有1000万人患病。

瓦拉法尔（Varafar）小组与全球结核病研究人员合作，从印度，中国，菲律宾，南非和欧洲的患者中收集了数百种细菌的耐药菌样本。

他们的研究成果于10月下旬发表在eLife上。瓦拉法尔（Varafar）和项目科学家塞缪尔·莫德林（Samuel Modlin）于2016年开始探索结核病细菌的表观遗传学，博士生Derek Conkle-Gutierrez于2018年加入他们的临床耐药性和持久性发病机制实验室。SDSU校友Modlin和Conkle-Gutierrez利用从SDSU获得的技能和知识来开展这项研究-数据和统计分析，编码技能和生物信息学知识。

康克尔·古铁雷斯（Conkle-Gutierrez）说：“几十年来，我们已经知道细菌表观遗传学可以影响某些基因的表达，即使它们具有相同的基因型，也可以导致多种表型。”“我们在结核病细菌中发现了这种现象的证据。”

抗生素耐药性通常是由基因组突变引起的，但是这种细菌是在表观遗传域中利用其他机制实现快速适应的几种细菌之一。

“我们发现其中一些具有导致可变的DNA甲基化的突变，这些菌株在其表观基因组中具有更多的持久性，因此具有更大的耐药性，” Modlin说。

研究人员发现没有固定的模式，甲基化是相当随机的。他们使用了先进的比较基因组学和表观遗传学技术，从一个病人的单个分离株中识别出菌落中整个细胞的变异，包括仍然影响基因表达的微小变异。他们之所以能够这样做，是因为他们没有假设参考基因组具有共同的结构，而是从头开始重建每个基因组并分析了其表观遗传学特征。

现在，他们将专注于测试和确认他们识别出的具有甲基化特征的关键基因。在他们的发现最终可以用于诊断之前，还有许多工作要做。

“结核病有很多抵抗力，可以逃脱当前的分子诊断方法，我们真的不知道为什么。那是有问题的，”瓦拉法尔说。“这项研究为寻找替代机制提供了新领域，新工具和新方法。我们摆脱了分子诊断的经典观点，而采用了一种新颖，全面的方法来分析细菌。”

当前的护理标准疗法使用两种类型的抗生素：抑菌剂可以防止细菌繁殖但不会杀死它们，而杀细菌剂则可以杀死细菌。

“我们发现了一种新的变异模式，如果我们能够抑制这种渗透机制，就可以抑制短期表观遗传抗性，并在基因组突变发展并引起长期的遗传抗性之前杀死细菌。” Modlin说。

这可能是某些细菌种群在治疗中幸存下来的方式，并使患者产生更大的抗生素耐药性或高毒力，使他们再次生病。

参考：Samuel J Modlin，Derek Conkle-Gutierrez，Calvin Kim，Scott N Mitchell，Christopher Morrissey，Brian C Weinrick，William R Jacobs，Sarah M Ramirez等93个结核分枝杆菌复杂临床分离株的DNA腺嘌呤甲基化组中的驱动力和存在位点-Busby，Sven E Hoffner和Faramarz Valafar，2020年10月27日，电子生活杂志.DOI：
10.7554 / eLife.58542

期刊编辑和审稿人认为他们的发现意义重大，并要求研究人员重命名它们描述新功能的三个基因-MamC，MamS，MamS1。该文章还刊登在eLife杂志的封面上。

Valafar的团队因其发现而获得了两项临时专利。该研究由美国过敏和传染病研究所（NIAID）资助。