清华大学基础完美体育·(中国)官方网站刘锦涛团队揭示抗生素通过RNA聚合酶停滞导致细菌基因组损伤及耐药

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抗生素是临床中治疗细菌感染的最重要手段，但目前抗生素疗法正面临细菌抗药性泛滥的困境。为了应对这一挑战，我们需要深入研究抗生素的作用机制以及细菌的响应方式，以提高我们使用现有抗生素的效率、延缓耐药的发生。2024年8月3日，清华大学基础完美体育·(中国)官方网站刘锦涛课题组在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表了题为“RNA polymerase stalling-derived genome instability underlies ribosomal antibiotic efficacy and resistance evolution”的研究论文。该工作通过解析翻译、转录以及DNA损伤修复之间的交互关系，首次提出了核糖体类抗生素通过抑制翻译引起全基因组范围的RNA聚合酶（RNAP）停滞，进而导致细菌基因组不稳定、最后产生耐药突变的机制。

研究者以氨基糖苷类抗生素中的一线药物庆大霉素为研究对象，发现大肠杆菌在2小时内就进化出了耐药突变。为了探究突变的发生机制，研究者对突变体进行了基因组重测序分析，结合对细菌基因组损伤的监测，推测突变来源于SOS响应所激活的诱变修复。与此前报道的由活性氧导致DNA损伤的机制不同，这一现象发生在活性氧积累之前（图1）。

图1. 庆大霉素导致的DNA损伤发生在活性氧积累之前

研究者发现，庆大霉素导致大量基因的转录本偏向5’端。通过进一步建立3’-end-seq方法对转录本的3’端位置进行测量，发现该现象指征了由RNA聚合酶停滞导致的转录受阻。随后，研究者证明RNA聚合酶停滞激活了转录偶联修复因子，而后者介导了DNA损伤的发生。

核糖体抗生素如何导致转录停滞？研究者发现，转录停滞现象普遍出现于蛋白编码基因，而在缺乏翻译的非编码基因中则不明显（图2）。因此，研究者推断庆大霉素通过抑制翻译、打破转录-翻译耦合（transcription-translation coupling）导致转录停滞。

图2.  转录停滞只出现在蛋白编码基因上，而在非编码基因中不明显

综上，研究者提出以下模型（图3）：庆大霉素通过抑制核糖体打破了翻译与转录过程的耦合，从而在全基因组范围内导致转录停滞；停滞的RNA聚合酶通过转录偶联修复因子诱导了DNA损伤。在上述过程中，大部分细菌因为基因组不稳定性而死亡，而小部分细菌通过激活SOS响应、对损伤的DNA进行易错修复而产生了耐药突变，导致抗生素耐药的迅速发生。最后，研究者检测了大肠杆菌对其它核糖体类抗生素的响应，证实了这一模型的普适性。该模型有望为加强对现有抗生素的有效使用、为减缓抗生素耐药提供新思路。清华大学基础完美体育·(中国)官方网站刘锦涛课题组的博士生郑雅匀、柴若尘和博士后王天民为该论文的共同第一作者。

图3.  庆大霉素导致基因组损伤及诱导突变的分子模型

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50917-6