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神奇!人体内有能抵抗超级细菌的分子

2019-08-22 09:40:19  来源:科学大院

你知道吗?从1987年至今,没有出现一种新的抗生素类药物。而近年来,由于细菌变异、抗生素药物的不合理使用,耐药菌株数目大幅度增加。如果这个情况得不到控制,到2050年,全球由于耐药细菌引起的死亡人数将从现在的70万上升至1000万!

(图片来源:http://blog.sciencenet.cn/blog-236900-1003548.html)

(图片来源:http://blog.sciencenet.cn/blog-236900-1003548.html)

如何应对“超级细菌”引发的紧急公共危机已经成为一个大问题,研发并生产对抗耐药细菌的新型药物迫在眉睫。为此,科学家们采用了许多途径来寻找新型抗生素,但收效甚微,而人体内是否存在抗超级细菌分子这一问题也一直被忽视。

近期,四川大学生命科学学院宋旭教授课题组在学术期刊Cell Research发表的研究 “Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria” (论文原文请戳“阅读原文”)表明人凝血因子VII、IX、X不但具有凝血功能,还是机体内天然的抗超级细菌蛋白。

 (图片来源:https://www.nature.com/articles/s41422-019-0202-3?sf217055614=1)

(图片来源:https://www.nature.com/articles/s41422-019-0202-3?sf217055614=1)

凝血因子不仅仅能止血 还能杀菌?

凝血因子是生物体中直接参与血液凝固过程的各种糖蛋白分子及其辅因子(什么是凝血因子?戳一下就知道)。血液凝固过程本质是一系列的凝血因子被级联激活,形成凝血酶,促使血液中可溶性的纤维蛋白原变成不可溶、交织成网的纤维蛋白,从而将血细胞及血液中其他成分网罗在内形成血凝块的过程。

血小板(红色)与凝血因子(白色)(图片来源:http://pic.sogou.com/d?query=%C4%FD%D1%AA%D2%F2%D7%D3&mode=1&did=50#did49)

血小板(红色)与凝血因子(白色)(图片来源:http://pic.sogou.com/d?query=%C4%FD%D1%AA%D2%F2%D7%D3&mode=1&did=50#did49)

当机体出现组织损伤时,凝血因子VII(FVII)能高效并特异地与损伤组织释放的组织因子(TF)结合,形成TF-FVIIa复合物,进而级联激活凝血因子IX (FIX)和凝血因子X (FX),导致凝血酶生成并最终凝血。

 凝血因子参与形成血栓(图片来源:作者提供)

凝血因子参与形成血栓(图片来源:作者提供)

凝血因子VII、IX、X在凝血过程中会活化为轻链(LCs)和重链(HCs)。HCs具有丝氨酸蛋白酶活性,负责凝血功能。LCs负责与靶标的识别。这些凝血因子在机体中是否发挥其他生物学功能尚未被报道。

2009年,宋旭教授课题组研究人员在将凝血因子VII的轻链(lFVII)用于恶性肿瘤治疗的研究中,意外发现lFVII对大肠杆菌具有抑菌活性,这预示着凝血因子VII以及凝血因子家族其他成员可能是多功能蛋白,作用不仅仅是凝血。正是这个偶然发现,开启了宋旭教授课题组对凝血因子抑菌功能长达近10年的研究。

十年研究 探寻抑菌活性的真相

该课题组成员在确定凝血因子VII轻链(lFVII)的抑菌活性后,对结构上与之相似的凝血因子IX、X及其轻链蛋白(lFIX、lFX)进行了抑菌活性检测,结果显示这三个凝血因子及其轻链(LCs)均具有显著抑菌效果。同时结合扫描电子显微镜(SEM)等实验分析发现,LCs是通过破坏细菌细胞外膜发挥抑菌作用。

LCs破坏大肠杆菌包膜(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

LCs破坏大肠杆菌包膜(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

为了进一步研究lFVII的抗菌活性,课题组评估了lFVII对一系列革兰氏阴性菌的体外抑菌活性,研究数据显示lFVII对所有被检测的细菌都有效,最低杀菌浓度(MBC)均在nM级别。要知道,这些菌株中包括广泛耐药(XDR)的临床分离株!

在小鼠体内实验中,尾静脉注射500 µg/kg的lFVII,即可救活致死剂量XDR铜绿假单胞菌感染的小鼠,降低腹腔、肝脏、脾脏中病原菌浓度。对XDR鲍曼不动杆菌感染小鼠的治疗效果类似。

lFVII救活感染致死剂量XDR铜绿假单胞菌的小鼠(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

lFVII救活感染致死剂量XDR铜绿假单胞菌的小鼠(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

凝血因子到底是如何发挥抑菌作用的呢?

那么,

脂多糖(LPS)是细菌外膜的主要成分,对革兰氏阴性杆菌的存活至关重要。为了确定lFVII的特异性靶点,该研究将注意力转向LPS。通过银染及水解产物质谱检测的方法,该研究组成员发现lFVII可特异性水解LPS,可能是一种LPS水解酶。

 lFVII水解大肠杆菌K12 LPS

lFVII水解大肠杆菌K12 LPS

为了进一步确定lFVII的活性关键位点,该研究利用核磁共振、氨基酸定点突变等实验证实lFVII最小结构功能域EGF1内的S8、P9和G14位点可能对LPS水解至关重要,为EGF1活性关键位点。

凝血因子抗菌 到底有什么特殊性?

在与细菌作战的策略上,传统抗生素药物通过影响细菌代谢达到抑菌效果,抗菌肽抑菌则是通过在细菌膜上打孔,而凝血因子可以水解细菌LPS,该作用区别于以往所有抗菌剂,是一个全新的抑菌机制。

1、凝血因子VII、IX、X发挥抑菌活性的组分为轻链(LCs)而非重链(HCs)。所以如果将完整的凝血因子用来杀菌可能会诱发机体凝血,但只将凝血因子的LCs组分用于抗菌则不会诱发凝血问题。

2、LCs对热不稳定,而HCs作为丝氨酸蛋白酶具有良好的热稳定性。血浆来源的凝血因子在生产过程中,需要经80 ℃处理72小时灭活病毒,这会使LCs丧失抑菌活性,而凝血活性几乎不受影响。

 lFIX抑菌活性热不稳定(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

lFIX抑菌活性热不稳定(图片来源:Coagulation factors VII, IX and X are antibacterial proteins against drug-resistant Gram-negative Bacteria)

3、LCs作为人体自身蛋白组分,诱发机体免疫反应可能性较低。同时,该研究结果表明,LCs具有广谱抗菌性,能对抗包括泛耐药菌在内的多种革兰氏阴性菌。

4、LCs通过水解革兰氏阴性菌外膜的主要成分脂多糖(LPS)发挥抑菌作用。LPS又称 “热原”,是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分,可引起发热、内毒素休克及播散性血管内凝血等。LPS耐热、稳定,且抗原性弱,但是此前尚未发现水解LPS的抗菌剂。lFVII通过水解LPS杀菌,这是目前LPS水解酶的唯一报道。

未来 凝血因子能用来干啥?

该研究提出了凝血因子VII、IX和X作为抗菌蛋白的新机制,有助于进一步揭示凝血系统在宿主防御系统中的作用。此外,凝血因子凝血和抗感染的双重功能可能与血栓相关疾病的发病机制有关,为败血症、中风等疾病的研究及治疗提供了新思路。

该课题在基础理论研究方面开创了一个全新的领域,颠覆了人们对凝血因子传统的认知。同时,在应用研究方面有着广阔的前景,LCs有望为应对“超级细菌”所造成的紧急公共卫生危机提供新的、经济有效的应对策略,为每年数百万生命的拯救提供新方案。

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