海藻糖催化转换增强结核分枝杆菌表型异质性与多药耐药性的机制研究

本研究针对结核分枝杆菌(Mtb)耐药性形成的关键机制展开探索，揭示了海藻糖代谢酶TreS介导的催化转换通过促进细菌表型异质性和持久菌(persister)形成，加速多药耐药(MDR)发展的分子机制。研究人员通过代谢组学分析、CRISPRi基因编辑和数学模型证实，抑制海藻糖催化转换可显著降低结核分枝杆菌对利福平(RIF)和异烟肼(INH)的耐药突变率，为开发抗结核辅助疗法提供了新靶点。该成果为理解临床北京株(HN878)高MDR风险提供了代谢基础，对遏制全球结核病耐药危机具有重要意义。

　　

结核病作为全球最致命的传染病之一，其治疗面临严峻挑战——标准抗生素疗程长达6-24个月，而日益严重的多药耐药结核(MDR-TB)更让全球防控雪上加霜。这种困境背后隐藏着一个关键科学问题：为何结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, Mtb)能在长期抗生素压力下产生耐药性？近年研究发现，细菌群体中存在一类特殊亚群——持久菌(persisters)，它们通过代谢重塑而非基因突变暂时耐受抗生素，被认为是耐药突变产生的"温床"。然而，Mtb形成持久菌的具体代谢机制及其与耐药性演化的关系仍是未解之谜。

美国密歇根大学(University of Michigan)的Hyungjin Eoh团队在《Nature Communications》发表的重要研究，首次揭示海藻糖(trehalose)代谢在Mtb耐药性发展中的核心作用。这项研究阐明了海藻糖合成酶(TreS)介导的"催化转换"(catalytic shift)如何通过增强细菌表型异质性，促进持久菌形成并最终导致多药耐药。研究人员发现，临床耐药结核菌株(DR-TB)比敏感株(DS-TB)更依赖海藻糖代谢，能将更多海藻糖导向糖酵解和磷酸戊糖途径(PPP)，而非用于合成细胞壁糖脂。通过构建CRISPRi抑制的treS突变株(ΔtreS)和数学模型分析，证实抑制该代谢通路可使Mtb对利福平(RIF)和异烟肼(INH)的耐药突变率降低5-6倍。更关键的是，研究揭示了北京株(HN878)高MDR风险与其更强的海藻糖催化转换能力直接相关，为临床耐药防控提供了新视角。

研究团队运用多组学联用策略开展系统性研究：1) 对75例临床结核分离株(含DS/RSR/MDR/XDR/TDR)进行靶向代谢组学分析；2) 采用CRISPRi-dCas9技术构建treS基因条件敲低菌株；3) 开发基于荧光分子转子RMR-tre的流式分选技术定量代谢异质性；4) 建立改良版Luria-Delbrück波动实验评估耐药突变率；5) 通过同位素示踪([U-¹³C] trehalose)解析碳代谢流向；6) 构建数学模型量化表型转换动力学。

海藻糖代谢网络在耐药与敏感菌株中存在显著差异

靶向代谢组学显示，DR-TB临床分离株中海藻糖更多被转化为糖酵解中间体(如Glc6P)和PPP产物(如S7P)，而DS-TB株则倾向于将其用于合成细胞壁糖脂(TMM/TDM)。同位素示踪证实，¹³C标记的海藻糖在DR-TB中更快速掺入糖酵解途径，这种差异与treS mRNA表达水平无关，提示存在转录后调控机制。

海藻糖催化转换促进耐药突变积累

在M. smegmatis模型中，CRISPRi抑制treS表达使RIF和INH耐药突变率分别降低6.6倍和5.4倍。共培养竞争实验显示，野生型菌株在周期性RIF压力下逐渐占据优势，而treS抑制株则被淘汰。全基因组测序发现，获得的RIF耐药株(FluxRIF)中仅部分携带rpoB基因突变(L452P)，其余则通过增强海藻糖代谢获得耐药表型。

代谢异质性是耐药发展的关键驱动力

研究开发的RMR-tre荧光标记技术揭示，抗生素压力会促使细菌群体分化为RMR-tre^high和RMR-tre^low亚群。前者具有更强的海藻糖催化转换能力，膜电位(ΔΨm)降低且ATP水平下降，表现出典型持久菌特征。值得注意的是，RIF耐药株中RMR-tre^high亚群比例显著高于敏感株，且对INH和贝达喹啉(BDQ)表现交叉耐药。

北京株的高MDR风险与海藻糖代谢增强相关

研究证实，北京株HN878的treS表达在RIF刺激下可上调7.3倍，显著高于其他谱系菌株(2-3倍)。代谢流分析显示其将海藻糖转化为Glc6P和Pen5P的效率更高。波动实验表明，HN878的RIF耐药突变率是谱系4菌株的5倍，而特异性抑制剂validamycin A(ValA)可使其恢复至敏感株水平。

这项研究通过多学科交叉方法，首次建立了海藻糖代谢-表型异质性-持久菌形成-耐药发展之间的完整因果链条。其理论突破体现在三方面：1) 阐明代谢重塑如何通过增加细菌群体异质性促进耐药进化；2) 揭示RIF耐药导致MDR的代谢基础——增强的海藻糖催化转换可同时提高对多种抗生素的耐受性；3) 解释北京株高耐药风险的分子机制。在应用层面，研究证实靶向TreS的抑制剂(如ValA)可显著降低持久菌形成和耐药突变率，为开发"抗耐药"辅助疗法提供了明确靶点。鉴于全球每年约50万MDR-TB新发病例，且北京株在亚洲流行率高达80%，这项成果对指导临床用药和防控耐药传播具有重要价值。