4月20日，国际著名杂志《科学》Science上刊登了来自麻省理工学院和波士顿大学的研究人员的最新研究成果“Oxidation of the Guanine Nucleotide Pool Underlies Cell Death by Bactericidal Antibiotics，”，文章中，研究者揭开了三类主要的抗生素潜在的杀伤机制：药物生成了一些破坏性分子，通过一连串细胞事件对细胞DNA造成了致命性的损伤。
青霉素和其他抗生素的出现使医药发生了革命性的改变，将曾经是致死性的疾病转变为了容易治愈的疾病。然而，尽管抗生素在临床上应用已有70多年，其杀死细菌的确切机制却仍是一个待解之谜。
研究人员表示详细了解这一机制可以帮助科学家们改进现有的药物。在过去40年只有少数的新抗生素被开发出来，而大量的细菌株却对当前可用的药物产生耐受。
波士顿大学生物医药工程学教授James Collins说：“这有可能提高我们当前‘武器库’的杀伤效应，减少所需剂量，或使细菌株对现有的抗生素重新敏感。
破坏性的自由基
2007年，Collins证明三类主要的抗生素——喹诺酮类、β-内酰胺类和氨基糖苷类——可通过生成高度破坏性的分子羟基自由基（hydroxyl radicals）来杀伤细菌细胞。当时，他和其他的研究人员就猜测自由基对它们遭遇的所有细胞成分发动了全面的攻击。
麻省理工学院生物学教授Graham Walker 说：“它们几乎对一切都产生反应。它们会追击脂质、它们能氧化蛋白，它们能氧化DNA。”然而在新研究中，研究人员发现这种损伤大部分并非是致命性的，
研究人员证明能对细菌造成致死性损伤的是羟基诱导的鸟嘌呤损伤，鸟嘌呤（G）是组成DNA的四个基本核苷酸碱基之一。当这种损伤的鸟嘌呤插入到DNA中时，细菌会致力修复这种损伤，但最终加速了自身的死亡。“这并非是导致所有杀伤效应的原因，但事实它却占据了相当重要的比重，”Walker说。
最初，Walker对于DNA修复酶的研究令到研究人员怀疑这种氧化鸟嘌呤有可能在抗生素介导的细胞死亡中发挥了作用。在第一个研究阶段，他们发现了一种特异的DNA聚合酶DinB非常善于利用氧化鸟嘌呤元件来合成DNA。
然而，DinB不仅在DNA复制过程中将氧化鸟嘌呤插入到了其正确碱基对胞嘧啶（C）的对面，还将其插入到了腺嘌呤（A）的对面。研究人员发现当太多氧化鸟嘌呤被掺入到新的DNA链中时，细胞将无法成功去除这些损害，因此导致了死亡。
基于这些基础的DNA修复研究，Walker和他的同事们于是猜测抗生素生成的羟基自由基是否有可能引发了相同的一连串的DNA损伤。事实证明果然如此。
一旦抗生素处理导致的氧化鸟嘌呤插入到DNA中，一个旨在修复DNA的细胞系统就会采取行动。一些称之为MutY 和 MutM的特异性酶通过剪断DNA来启动胞修复过程，正常情况下这一修复机制可以帮助细胞应对DNA中存在的氧化鸟嘌呤。 然而这种修复也是具有高风险的，因为它需要打开DNA双螺旋，在错误碱基被替换时切断DNA链。如果两种这样的修复在DNA反向链附近的位置同时发生，那么DNA就会发生双链断裂，这通常对细胞具有致命效应。
“原本应该保护你，确保准确性的系统变成了刽子手。”Walker说。
哈佛医学院微生物和免疫生物学教授Deborah Hung说：“新研究代表随着我们重新了解抗生素的作用机制会开启下一个重要的篇章。我们过去思考我们所知的，现在我们意识到所有的简单假设都是错误的，它其实更为的复杂。”
新目标
研究人员表示在某些情况下抗生素诱导的DNA损伤，细菌细胞能够通过利用一个称之为同源重组的过程修复双链DNA断裂从而挽救自身。使得同源重组所需的酶失活有可能提高细菌对抗生素的敏感性。
“我们的工作表明参与双链DNA断裂修复的蛋白有可能成为非常有意思值得探究的靶标，成为改变药物杀伤效应的一条途径。”Collins说。
此外，研究人员还证实还有另外一条机制参与了氨基糖苷类抗生素引起的细胞死亡。在这些抗生素处理的细胞中，氧化鸟嘌呤被掺入到了信使RNA中，导致了错误蛋白生成，转而启动更多的羟基自由基生成，由此产生更多的氧化鸟嘌呤。研究人员目前正在致力进一步地了解抗生素杀伤细菌的机制。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1126/science.1219192
PMC:
PMID:
Oxidation of the Guanine Nucleotide Pool Underlies Cell Death by Bactericidal Antibiotics
James J. Foti1, Babho Devadoss1, Jonathan A. Winkler2, James J. Collins3,4, Graham C. Walker1,*
A detailed understanding of the mechanisms that underlie antibiotic killing is important for the derivation of new classes of antibiotics and clinically useful adjuvants for current antimicrobial therapies. Our efforts to understand why DinB (DNA polymerase IV) overproduction is cytotoxic to Escherichia coli led to the unexpected insight that oxidation of guanine to 8-oxo-guanine in the nucleotide pool underlies much of the cell death caused by both DinB overproduction and bactericidal antibiotics. We propose a model in which the cytotoxicity of beta-lactams and quinolones predominantly results from lethal double-strand DNA breaks caused by incomplete repair of closely spaced 8-oxo-deoxyguanosine lesions, whereas the cytotoxicity of aminoglycosides might additionally result from mistranslation due to the incorporation of 8-oxo-guanine into newly synthesized RNAs
