青霉素结合蛋白研究进展
国外医药抗生素分册2004年9月第25卷第5期
・193・
文章编号:1001—875“2004)05—0193一05
青霉素结合蛋白研究进展
熊亚莉综述
范昕建审
(四川大学华西医院感染性疾病中心人类疾病生物治疗教育部重点实验室,
成都610041)
摘要:青霉素结合蛋白(PBPs)相关性耐药是细菌对B一内酰胺类抗生素耐药一个重要方面。其数量的增多、与抗生素亲和力的下降以及出现新的青霉素结合蛋白均直接导致抗生素耐药。对青霉素结合蛋白的结构、功能、研究方法及与之相关的新药开发等方面进行了综述。
关键词:青霉素结合蛋白;细茵耐药性;研究方法中图分类号:Q513
文献标识码:A
青霉素结合蛋白(PBPS)是位于细菌细胞膜上的作用存在差异),其中按分子大小又可分为A,B等(由
一个基因编码,酶活性相似)。随着不断的研究,许多细菌的PBPs谱较以前都有更新,如甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌(MSSA)最初认为只存在4种H狂)S,即PBPl(Mr
84.3ku)、PIBP2(80.4ku)、PBP3
一内酰胺类抗生素结合。另外非细菌如螺旋体也可能(74.4ku)、HjP4(44.6ku),另外在甲氧西林耐药的金
黄色葡萄球菌(MRSA)中还有PB心a。但后来有人证
明金黄色葡萄球菌中还存在一种以前未知的PBP基
因∞矿,编码一个含691个氨基酸残基的蛋白质,估
计分子质量为77.4ku,与PBP2的分子质量(80.4ku)很接近,命名为PBP2b,也表现出青霉素结合活性[2]。1.2分类
按照细菌对各种p一内酰胺类抗生素的敏感度,可以将PBPs大致分为两类:①对青霉素敏感度稍差,但对大多数头孢菌素敏感的PBPS:分子质量较低(Mr24.8~34.7ku),一般是D,D一肽酶,作用于肽或羧肽羧基供体相似物。如金黄色葡萄球菌的PBP4,大肠埃吸附法
希氏菌的PBP5、PBP6;②一般对青霉素和头孢菌素PBP重量约占整个细胞膜的1%,分子质量一般
均敏感的PI妒s:分子量较高(Mr59.5~89.3ku),其羧
基末端是青霉素结合域催化青霉素敏感的肽聚糖转肽
酶反应(肽交联),氨基末端催化青霉素不敏感的肽聚糖转糖基酶反应(糖链延伸),如大肠埃希氏菌的
PBP2、嗍。已知不同的抗生素作用于不同的R热
上,即使是同一抗生素作用于不同细菌也是作用于不同的PI狃s上。如头孢噻肟作用于链球菌的靶位是PBP2X,而作用于金黄色葡萄球菌的靶位是PBP2,苯
收稿日期:2004一05—28
作者简介:熊亚莉,女,生于1980年,在读硕士研究生,主要从事细菌耐药机制研究。
万
方数据一些膜蛋白,最初发现时因为能和青霉素共价结合而得名。1972年Suginaka等第一次报道了青霉素结合蛋白(PBPS),他们用放射性同位素标记的青霉素标出了细菌表面的PBPs。后来研究发现PI狙s也能与非0有PBPs【1】。PBPs是参与细菌细胞壁肽聚糖生物合成的酶,包括转肽酶、羧肽酶、内肽酶。它的正常存在是细菌保持正常形态及功能的必需条件,青霉素等抗生
素正是通过与阳P8结合抑制细菌细胞壁的生物合成
引起细菌细胞死亡从而发挥杀菌作用。一旦青霉素结合蛋白的数量、种类或者与抗生素的亲和力发生变化将会影响细菌的形态或者对抗生素的敏感性。细菌青霉素结合蛋白改变引起的细菌对抗生素的耐药性目前
仍是研究的热点之一,其研究对于抗生素的改造、新抗
生素的设计均有指导意义。l命名与分类
1.1
都是34.7~138.9ku。大多数细菌细胞含1千到1万个PBP分子,一种细菌通常含4~8种PBPs,不同的细菌其PBPs类型不同。最初Spratt和Pardee用sDS—PAGE法分离各PBPS,根据分子质量的递减或泳动
速率递增命名为PBPl,2…以后从基因分析角度,又可分为1a,1b,2a,2b…(由不同的基因编码,编码蛋
白的分子质量及生化生理特点相似,但与抗生素亲和
‘194’
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国外医药抗生素分册2004年9月第25卷第5期
唑西林也主要作用于金黄色葡萄球菌的PBP2,同时金黄色葡萄球菌的PBP3却是头孢拉定的主要作用点。作用于同一PBPS靶位点的抗生素合用会产生相互拮抗作用,作用于不同PBPs的B一内酰胺类抗生素在联用时可产生协同作用[3J。2结构与功能
2.1
结构
以前是通过细菌提取的羧肽酶的青霉素一肽衍生
物的氨基酸序列分析弄清了数种PBPs的活性中心,结果显示细菌PI译活性中心常是丝氨酸,j3一内酰胺类抗生素正是通过其B一内酰胺环中的羧基和细菌相应的H沿s的丝氨酸的羟基共价结合成丝氨酸酯起作用。另外也有研究表明可能存在半胱氨酸一巯基为活性中心的羧肽酶。后来又有人联合液相色谱法和纳一电喷雾法来鉴定PBP活性中心丝氨酸,在体外作8一
内酰胺类抗生素和重组PBP的共价结合,乙酰化的肽
被分离以及用胰岛素作进一步的消化。消化后的肽纳一电喷雾法测序显示青霉素是和PBP2a403位丝氨酸结合在一起的[4|。研究表明低分子质量的PBPs和A类8一内酰胺酶有相似的二级结构空间排布,均是双结构域的蛋白,一个是全a一型结构,另一个是核心由5个8一片层外加两面都有的a一螺旋组成的结构。它们还有相似的三级结构,并且在三级结构中相同的关键位置至少有三个盒,包括ser—Xaa—Xaa—Lys盒,位于一级结构一60~80处产生于全a一型结构的一个螺旋的氨基酸末端,这样一来绕过一个螺旋之后
赖氨酸残基侧链又重新回到活性中心区域;Lys—Thr
—Gly屑is—Thr—G1y盒,位于羧基末端的上游一60
~70处产生于5个8一片层最里面的一个,组氨酸咪唑环或赖氨酸e一氨基酸也指向活性中心,因此组成了活性中心的另一边;最后一个,大概位于一级结构的中部(更接近羧基末端),有带阴性电荷的残基,
赴p225/Glul50/aul66,产生于连接两个螺旋的环上,
构成活性中心的人口[5l。也有研究认为PBPs青霉素结合区包括此3个保守序列:含氨基酸活化位点的
Se溅xxxxLys(S脚<盒)、Serxxx飚n(SXN盒)、
LySThr/Se以ly(KT俗G盒)。现在人们用分子动力学
模拟,量子力学及X一射线衍射等方法进一步研究了PBPs的晶体结构,活性位点的氨基酸序列及抗生素与PBPs具体酰化步骤。目前已搞清楚M磷’A的PBP2a晶体结构是由三部分组成:①N一末端跨膜区;②糖基转移酶区;③转肽酶区,含p一内酰胺类抗生素作用位点[6J。如果这些保守序列或相邻的氨基酸被替代,口一内酰胺类抗生素不能有效地与PBPs结合而导致耐
万
方数据药。
2.2
功能
不同细菌的PBPS组成不同,其功能也各不相同,
研究表明并非所有的PBPS均是抗生素的作用靶位。按其与细菌生理功能的关系及抗生素作用后的反应大致可以将它们分为细菌生长必需蛋白和生长非必需蛋白。现在研究得比较多的是革兰氏阳性菌中的肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等,革兰氏阴性菌中的大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、淋病奈瑟氏菌、流感嗜血菌等。
以大肠埃希氏菌为例阐明不同的PI妒s的功能。大肠埃希氏菌含有7种PBPs,依次为PBPla、PBPlb、PBP2、PBP3、PBP4、PI弹5、PBP6。P王妒la为细菌生长非必需蛋白,缺乏PBPla的变异株能够存活。PBPlb是维持细菌生长的重要蛋白质,是肽聚糖交联过程中的必需酶,也是青霉素溶解细胞作用的靶位。PⅨ)2能维持大肠埃希氏菌的张力,使菌体保持杆棒状,当基因突变引起PBP2减少或缺乏时可使细菌变成圆球形而致溶解死亡。PBP3与细菌分裂有关,是隔膜的胞壁质形成的必须成分,抗生素选择性的作用于PBP3后,能够阻止大肠埃希氏菌的分裂并使细胞形成丝状体而不溶解[7|。PBP4同时具有D,D一羧肽酶活性及D,D一内肽酶活性,但不是p一内酰胺类抗生素的主要作用靶位[8】。PBP5是细菌生长非必需蛋白,具有D一丙氨酸羧肽酶IA的活性,而这个酶在细菌体内能保护大肠埃希氏菌不致被低浓度的B一内酰胺类抗生素杀死。PBP6具有D一丙氨酸羧肽酶I的活性,在细菌的静止期的含量远比指数生长期的要高(2~10倍),能在静止期稳定肽聚糖的结构[9]。有研究者发现另有两种青霉素结合蛋白PBP7(31.8ku)和它的蛋白降解产物PI妒8(28.8ku),均有D,D一内肽酶活性,
特异性地水解大分子的细胞壁质的D,D一吼心一~a
间的肽键。克雷伯氏菌、沙门氏菌和铜绿假单胞茵的PBPs类型和大肠埃希氏菌高度相似。有报道PBPS还参与AmpC酶诱导产生过程,该酶是细菌的某种低分子质量PBP(PBP4或肼)暴露于B一内酰胺类抗
生素后分泌的,这种低分子质量的PBPs很可能是p一内酰胺酶的前体【10J。3研究方法3.1分离纯化方法
(1)PBPs能与青霉素衍生物共价结合的特性使人们能用亲和层析的方法分离纯化这些蛋白质,洗脱剂常用羟胺,因为羟胺是转肽酶作用的受体,用该法可以纯化活性PBPs;(2)离子型去污剂如十二烷基一N一甲
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.195.
基甘氨酸钠可以选择性作用于胞浆膜使之破裂,或通过超声波降解,菌体蛋白释放出来,与青霉素结合的膜蛋白PBPs也一起释放出来,样品制备完毕后再煮沸除去某些蛋白质的干扰,缺点是游离的蛋白其生物活性难以继续维持;(3)有人用分子克隆的方法在体外克隆出编码P王强)S的基因用酶切法去除跨膜部分再作为融合蛋白在大肠埃希氏菌中表达,运用这种表达系统和这种纯化重折叠方法,能获得大量可溶性的蛋白,这种水溶性PBP较易进行生物化学分析,而且能被证明有酶活性,由此得出的资料更有利于设计新的抗生素。
3.2
PBPS图谱研究方法
传统方法常用十二烷基硫酸钠一聚丙烯酰胺凝胶
电泳(sDS—PA(、E)、荧光放射自显影方法,荧光标记物常有3H一,“C一或者挖5I一所得结果相似。竞争结合抑制试验可用于测定不同浓度抗生素与PBPs亲和性的改变,抗生素浓度越高,亲和力越强,作用靶位自显影条带的颜色越浅。有一种鉴别PBPs高度敏感的
新方法,是建立在氨苄西林一毛地黄毒苷共轭(m江P
—DIG共轭)的使用基础之上并且通过免疫斑点和化学发光检测的一种方法。化学发光的敏感性使X线胶片曝光时间减少到数分钟,于此相对的是使用传统的放射标记p一内酰胺类抗生素时,所需时间为数天到数周【11I。另外有一种商用的新的又比较敏感的非放射活性的方法,BOCILLINFL一种荧光青霉素,作为检测和研究PBPS的标签试剂。这种方法允许在紫外灯下快速检测30ng纯化的PBP或者在荧光图像的帮助下快速检测2~4ng的蛋白。所获得的PBP图谱和以前报道的用3H一,14C一或者125I一标记的青霉素获得的结果一样。用这种方法能测定细菌敏感或耐药的PBPs对青霉素G的50%抑制浓度,因此能更直接的评价它们对青霉素G的相对亲和力【l2l。
3.3
PBPs定位及功能的研究
Den等用来自于超声波降解的细胞的囊泡被孵化
成小滴在电镜下和未知定位的蛋白的单克隆抗体反
应,不同的单抗分别用5和10m的冷凝集二抗观察,
建立了研究蛋白质在大肠埃希氏菌细胞质膜上定位的方法[”】。Bayer等用PBPs特异的抗血清作整个细胞极薄切片的免疫电镜和细胞质及分离的膜片段的免疫电泳,观察PBPs特异性标签在细胞中的分布以此推测PBPs可能功能[14]。基于表面胞质基因共振(sPR)的一种新的方法可以用于监测糖基转移酶抑制剂和酶底物连接位点如PBPlb[15]。Hussain等用系统的5一
丙氨酸取代方法(称作ASs变异)研究大肠埃希氏菌
PBPlb不同的氨基酸侧链的功能或结构。他们把这
万
方数据种体内试验和用荧光青霉素检测不同菌株的青霉素结合活性的快速有效的体外试验相结合,发现了PBPlbN一末端和C一末端意想不到的功能,他们建立了
PBPlb中s)(N基序的正确定位,PBPlb和S)ⅨK、
KTG共同组成了青霉素丝氨酸转移酶家族。他们还证实了糖基转移酶和转肽酶区域是被一个不活跃的连接区域隔开的,这个连接区域能在不妨碍这个蛋白体内和体外活性的情况下被替代和插入[16]。3.4特定PBPs检测方法研究
以M磁、A的衄a的研究为代表。有一种三明
治式的放免法(Ifm队)和一种30min乳胶凝集试验(LA试验),前者在报道的M磷、APBP2a的氨基酸序列基础之上合成了10种肽(21~32个氨基酸的长度)用免疫兔子的方法产生抗这些合成肽的抗体,用这些抗体建立了IRMA法检测凇a。这种方法能从少
至3×104的临床分离MRSA株细胞提取物中测到PBP2a,并且在细胞数量和信号的放射量之间有良好的相关性。Ifm队是一种简单且可靠的检测方法[17]。J“ri和HusSain等评价了LA法在临床分离的金黄色葡萄球菌中检测PBP2a产量的能力,结果和用vitekGPS—SV检测纸片做的敏感性试验的结果及PCR结果相比较,敏感度和特异性极高,证实了该法是一种快速而可靠的检测MRsA的方法[18、19J。
4
PBPs与细菌耐药性的关系及开发新抗生素的展望
和评价
4.1抗生素与PI狙s的作用
p一内酰胺类抗生素通过其p一内酰胺羧基与
PBPS的丝氨酸羟基酰化,这要求有合适的R1侧链基
团,这个侧链可以诱导PBPs构象发生变化,也可对抗生素的亲核反应产生一种催化作用。另外青霉素分子的五元噻唑烷环对于保持p一内酰胺类抗生素的结构张力、酰化的PBPs复合物的稳定减缓脱酰都有重要作用。
4.2
PBPs改变对细菌耐药的影响
细菌对B一内酰胺类抗生素耐药主要有以下3种
机制:①阻止抗生素通过细胞外膜进入细胞内,占12%;②产8一内酰胺酶,占80%;③作用靶位结构的改变,即PBPS的改变,占8%。PBPs靶蛋白与抗生素亲和力降低,PBPs增多或产生新的既;PS均可使抗生素失去抗菌作用。已经证明金黄色葡萄球菌、凝固酶阴性表葡菌、肺炎链球菌、草绿色链球菌、大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、流感杆菌、淋球菌、脑膜炎双球菌等对8一内酰胺的耐药性涉及到PBPs。已证明金黄色葡
萄球菌对甲氧西林的耐药性是因为细菌产生了对抗生
!!!!‘国外医药抗生素分册2004年9月第25卷第5期
二::::
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素亲和力低的PBP2a,它对万古霉素敏感性下降的原因有部分学者认为是增加的PBP2与万古霉素竞争结合肽聚糖前体的靶位,从而抑制万古霉素活性[20]。凝固酶阴性的葡萄球菌的耐药性主要由m魄A基因编码
产生的OXA系列酶和新型的B一内酰胺酶表达产生:
大量的PBPs导致的,使抗生素对细菌的亲和力降,低坦1f。氨苄西林耐药的肠球菌的出现是由于PBPs的^I改变或口一内酰胺酶的产生所致。\
4.3克服耐药性4.3.1联合用药
已经证明作用于不同PBPS的8一
内酰胺类在联用时可产生协同作用,如头孢拉定和头孢噻肟联合用药对MRSA体外抗茵活性较单独用药明显增强【3|。
4.3.2新药开发①改造现有药物,保留原有的对细菌靶位的作用,增强其作用机制但避免其耐药机制。哌拉西林类似物对大肠埃希氏菌和肺炎克雷伯氏菌的作用模式和化学结构之间的关系调查结果显示随着2,3一哌嗪二酮N一4碳原子的数量增加,哌拉西林类似物与PBPs的亲和力(特别是PBP3)增加,并其抗菌
活性增强,表明与阳Ps的亲和力增加是哌拉西林类
似物抗菌活性增加的的主要原因[22l。酮内酯类药物HMR3647是3一酮基11,12一氨基甲酸酯克拉霉素衍生物,它对青霉素和红霉素耐药肺炎链球菌具有极强的活性,MIC值为O.25“g/mL,且不会诱导细菌产生
MI焉[23|。向8一内酰胺类抗生素导入适当的亲酯性取代基,既增强对MRSAPE妣a的亲和力又不过分增
大血清蛋白结合率的物质,RwJ一54428(MC一02,479)即是这种新的头孢菌素,对包括MRsA在内的革
兰氏阳性菌有作用,这种作用与它和脱a的高亲和
力有关;②开发辅助药物以钝化其耐药机制。克服MRSA耐药的策略之一就是研究钝化既jI)2a的方法,
2000年从欧亚甘草中分离出两种新的酚类化合物gli—cophenone和91i∞i80navanone,有人研究了它们对金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌K12及铜绿假单胞菌
PA01的抗菌活性,很多化合物对M陋~的MICs为8
~16mg/mL,还检测了这些化合物对于MRSA菌株对G一内酰胺类抗生素耐药性的影响,其中的一种化合物licoricidin显著地减少了MRSA对苯唑西林的耐药性,当1icOricidin浓度为4
mg/mL时苯唑西林对M陋~
的MIC降低到原来的1/8~1/32,在8mg/mL浓度时,MIC则降低到原来的1/128~1/1000。研究机制
表明它不是抑制吼a的形成,而是影响它的酶功
能池1;③应用细菌基因功能学以及蛋白质组学以发现作用于新靶位的新的抗生素。研究发现FEm蛋白作
万
方数据用于细胞壁肽聚糖五甘氨酸交联桥的合成,保证细胞壁的完整性,且与MRsA高度耐药有关,因此,尼仇基因也可以作为作用靶位来研究新的抗生素。Mcatee等用蛋白质组学技术对中度耐甲硝唑的幽门螺杆菌进行蛋白质组分析发现—6龃P的水平增加有较大意义,为新的抗生素研究提供了依据[25|。也可以把一些小分子作为抗生素的作用靶位,尤其是细胞表面的糖类和与肽聚糖合成有关的糖基转移酶,已有发现支持氯联苯万古霉素衍生物通过作用于细菌糖基转移酶而克服馓nA耐药这一假说【26|o
PBPs的改变是导致p一内酰胺类抗生素耐药的重要机制之一,关于它的研究虽然取得了很大的成绩但还有些PBPs的功能及对细菌耐药的影响、与L型细菌的关系、除了结合青霉素等抗生素之外其他的作用等方面还不完全清楚,有待于进一步研究。而且近年来由于耐药基因的传播以及抗菌药物的应用选择压力使得耐药菌大量繁殖,感染菌种类和耐药性较之以前出现变迁,致病菌对抗菌药物的耐药性急剧上升,高度耐药和多重耐药菌株不断增多,因此必须继续加强细菌耐药机制的研究和感染性疾病的流行病学监测,并且强调合理使用抗生素及加强新抗生素的开发。
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青霉素结合蛋白研究进展
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
熊亚莉, 范昕建
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