HelR保护RNA聚合酶免受利福霉素抗生素的影响

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

利福霉素抗生素如利福平和利福布丁是天然产物利福霉素B的半合成衍生物，利福霉素B发现于1957年，是地中海Amycolatopsis的发酵产物。

利福平(利福霉素)出现于20世纪60年代末和70年代初，是用于治疗分枝杆菌，特别是结核分枝杆菌引起的感染的一线治疗方法。利福霉素是原核dna依赖性RNA聚合酶(RNAP)的有效抑制剂。细菌RNAP由4种蛋白质-α2、β、β′和ω组成，以及瞬时相关的σ因子。利福霉素结合RNAP的β亚基(RpoB)并占据生长转录本出现的路径。这种相互作用会阻断新合成RNA的通道，阻碍超过2 - 3nt的mRNA的产生。

利福霉素抗生素的一个缺陷是它们的高频率耐药。因此，它们主要与其他抗生素联合使用。例如，针对生长缓慢的结核分枝杆菌，利福平经常与异烟肼和乙胺丁醇联合使用。遗传研究已经在rpoB中确定了一个81 bp的区域，称为利福平耐药决定区域(RRDR)，占临床中所有利福霉素耐药突变的95% (Yam等人，2004年)。耐药突变的谱是相对均匀的，在三个残基Asp516、His526和Ser531(大肠杆菌RpoB编码)中发生了替换，这降低了利福平对RNA出口通道的亲和力，并占到利福平耐药结核分枝杆菌的85%。

与临床抗性组相比，环境中利福霉素耐药机制的光谱是高度多样化的。虽然革兰氏阴性菌主要是本质上不敏感，由于不渗透和/或主动流出这些化合物，各种革兰氏阳性属已经进化出高度特异性的利福霉素耐药机制。许多放线菌，包括但不限于链霉菌属、诺卡菌属、红球菌属和许多分枝杆菌，具有多种酶失活利福霉素的机制。已知有四种不同的失活机制:磷酸化、adp -核糖化、糖基化和羟基化。Arr酶催化adp -核糖转移到C23羟基，从而在空间上阻断与RpoB结合所必需的羟基。Rgt酶使用udp -葡萄糖在相同的C23羟基上糖化利福霉素。Rph酶将β-磷酸从ATP转移到相邻的C21羟基。这个羟基也是与RpoB产生相互作用所必需的，在这个位置添加一个体积大、带负电的磷酸基会破坏与RNAP的结合。另一方面，利福霉素单加氧酶(Rox)通过线性化利福霉素大环，将萘醌核心羟基化，使药物失活，从而破坏了抑制RNAP所需的抗生素的三维结构。

HelR保护RNA聚合酶免受利福霉素抗生素的影响

20世纪90年代研究这些失活机制的小组注意到，酶的产生通常是由利福霉素诱导的。

20多年后，又有研究人员在rgt上游发现了一个19 bp的回文序列，它编码利福霉素糖基转移酶。该序列被称为利福霉素相关元件(RAE)，用于识别编码不同链霉菌中负责利福霉素磷酸化的酶的基因，揭示了RAE在靶向利福霉素耐药基因方面的预测价值。

相关研究成果发表在《Molecular Cell》上，文章标题为：“HelR is a helicase-like protein that protects RNA polymerase from rifamycin antibiotics”。

HelR保护RNA聚合酶免受利福霉素抗生素的影响

随后的生物信息学分析表明，RAE序列位于放线菌门中所有已知的利福霉素失活酶(Arr, Rox, Rph和Rgt)的上游。RAE可在许多放线菌病原体中发现，如脓肿分枝杆菌、马红球菌和镰状诺卡菌，但在结核分枝杆菌中不存在。RAE被证明是诱导下游基因响应利福霉素抗生素所必需的。这种调控的分子机制尚不清楚;然而，RAE及其控制的无数失活酶是放线菌耐利福霉素的重要来源。

虽然所有已知的利福霉素失活机制似乎与RAE相关，但也发现RAE上游基因没有已知的耐药功能。相当一部分RAEs是被注释为推定解旋酶的基因上游。

在这里，研究人员证明了委内瑞拉利福霉素相关解旋酶样蛋白(HelRSv)是一种高度特异的利福霉素耐药酶。与之前所有与rae相关的基因相比，HelR不是一种抗生素失活酶。相反，HelR直接与RNAP相互作用，取代结合利福霉素，从而缓解抑制。HelR促进了对利福霉素的耐受性，使细菌能够逃避这些抗生素的毒性特性。HelR与RNAP形成复合物，通过取代RNAP中的利福霉素来拯救转录抑制，从而通过靶保护提供耐药性。此外，HelRs广泛分布在放线菌中，包括几种机会性分枝杆菌病原体，为开发新的利福霉素抗生素提供了另一个挑战。

研究人员还研究了HelR和与之密切相关的hold蛋白的分布，它们在厚壁菌门和放线菌的基因组中大量存在。与RAEs相关的HelR同源蛋白属于不同的蛋白质簇，表明这些蛋白质中只有一小部分可能与利福霉素耐药有关。返回搜狐，查看更多