ATP提高耐药菌对抗生素敏感性的研究

This proposal is to perform a thorough investigation of the molecular mechanism of how ATP promotes kanamycin uptake and eradicate antibiotic-resistant bacteria. As we previously showed that exogenous alanine, glucose and fructose would promote TCA cycle, generate more proton motive force, elevate antibiotic uptake, and thereby improve antibiotic efficacy in combating with antibiotic-resistant bacteria, which was published in Cell Metabolism early last year. Our preliminary data showed that ATP, the downstream product of proton motive force, has similar effect as alanine and glucose, but the mechanism is unknown. Therefore, in this proposal, we have three specific aims including the mechanism of ATP-facilitated antibiotic killing of bacteria, the role ATP metabolism in antibiotic resistance, and the function of ATP synthase in antibiotic-resistance. By this way, we would expand the understanding the mechanism of alanine, glucose and fructose facilitated antibiotic killing. Moreover, the mechanism of how PMF promote the uptake of aminoglycosides is also a puzzle. The results derived from this proposal will pave the way for target drug design, novel treatment strategy, green farming, and food safety.

本项目基于申请人新近在Cell Metabolism有关丙氨酸、葡萄糖和果糖促进三羧酸循环、提高质子动力势(PMF)、增加抗生素摄取，促进抗生素杀菌的新发现，以及前期有关ATP促进卡那霉素摄取和杀菌的研究结果，拟进一步深入研究PMF逆转耐药性的下游ATP的分子机制。重点阐明ATP促进抗生素杀菌的作用机制，揭示ATP代谢途径在促进杀菌中的意义，发现ATP合酶在提高细菌对抗生素敏感性的调节作用，这对全面而深入地发现丙氨酸、葡萄糖和果糖逆转耐药性的分子机理、促进其应用具有十分重要的价值；同时鉴于既往仅知PMF可以促进氨基糖苷类抗生素的摄取，但具体机制尚不清楚，这一分子机制的阐明将积极推进对PMF促进氨基糖苷类抗生素机制的深入认识。进一步对于筛选药物作用新靶点，建立新的治疗策略，促进健康养殖、保证食品安全也具有十分重要的意义。

迟缓爱德华菌是鱼类重要的致病菌，可以感染多种野生和人工养殖的海水鱼和淡水鱼，且耐药性严重，对水产养殖业产生了十分严重的危害，但目前尚缺乏针对这一耐药菌的控制手段。基于前期我们发现丙氨酸、葡萄糖和果糖促进三羧酸循环、提高质子动力势(PMF)、增加抗生素摄取，促进抗生素杀菌的新发现，本课题进一步深入研究PMF逆转耐药性的下游ATP的分子机制。经过这一研究发现了在迟缓爱德华耐药菌中胞内ATP含量低，而外源ATP则能逆转细菌耐药性，提高氨基糖类抗生素杀菌效率至少2000倍，且这一效果对细菌生物膜和persister均有效果。同时，我们发现ATP可以协同不同种类的抗生素均有效果且和氨基糖类抗生素的效果最佳。也发现ATP协同抗生素的杀菌效果对不同种类的耐药菌也有很好的效果，这一效果在小鼠感染模型中也得到了验证；我们进一步揭示了外源ATP可以重编耐药菌的代谢组，以增强的丙酮酸循环（P循环）和嘌呤代谢为特征，提高的P循环促进了呼吸链和膜电位，提升了细菌的质子动力势（PMF），增加了细菌对卡那霉素等氨基糖苷类抗生素的摄取，最终导致细菌的死亡；我们还揭示了ATP合酶在细菌耐药中的重要作用，阐明了ATP合酶的缺失会导致胞内ATP的降低，cAMP减少，从而使得cAMP/CRP这一转录调控因子的表达降低，使得P循环的运转产生停滞，导致细菌耐药。而外源ATP则能逆转由于ATP合酶缺失导致的耐药性。综上所述，我们这一研究表明ATP可以作为潜在的耐药性逆转物来增强抗生素效用，降低抗生素使用率，对于促进健康养殖、保障食品安全具有重要的意义。