细菌抗生素耐药性中的超硫化物：化学失活、氧化还原信号与转化机遇

《Nitric Oxide》：Supersulfides in bacterial antibiotic resistance: chemical inactivation, redox signaling, and translational opportunities

　　

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  概述了细菌超硫化物的生物合成。
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  描述了超硫化物介导的抗菌耐药性。
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  强调了以细菌超硫化物为靶点的治疗机会。

引言

抗菌药物耐药性（AMR）的不断攀升已成为全球公共卫生面临的最严重威胁之一，从根本上动摇了现代医学的基础，并促使人们迫切寻求超越传统药物开发的新治疗策略 [1]。传统上，关于细菌在抗生素压力下存活的研究主要聚焦于经典的遗传决定因素，如抗生素修饰酶（例如β-内酰胺酶）、靶点突变以及外排泵的上调 [2]。然而，越来越多的证据表明，细菌的存活还高度依赖于快速的表型适应、代谢重编程以及强大的氧化应激防御系统。暴露于致死剂量抗生素下的细菌往往会经历深刻的代谢转变，需要精密的氧化还原缓冲能力来应对由此产生的生理应激 2, 3, 4。在此背景下，基于硫的氧化还原生物学已作为一个有前景、高度动态但尚未充分探索的前沿领域，用于阐明宿主-病原体相互作用和细菌防御机制 [5]。

在各种硫代谢物中，超硫化物近年来被揭示为原核生物和真核生物中细胞信号传导和细胞保护的关键介质 4, 6, 7。超硫化物是由串联硫原子构成的化学物种，包括低分子量分子如半胱氨酸过硫化物（CysSSH）和谷胱甘肽过硫化物（GSSH），以及蛋白质结合的过硫化氨基酸残基 [8]。几十年来，这些高活性分子长期被忽视或被视为实验假象，因为它们化学性质不稳定，在常规样本处理过程中容易发生变化。然而，分析化学和质谱技术的最新突破颠覆了这一范式，揭示了超硫化物不仅在各类生物体中普遍存在，而且是细胞生理学中积极维护的核心组成部分 4, 6。不过需要注意的是，当前检测方法尚需进一步的全面分析验证。

细胞超硫化物池的维持高度依赖内源性前体，主要包括半胱氨酸（CysSH）、谷胱甘肽（GSH）和硫化氢（H₂S）。这些分子共同构成了一个复杂的代谢网络，决定了细胞的硫稳态 [9]。在细菌中，硫化氢及其下游超硫化物衍生物发挥多功能作用，参与能量代谢、铁吸收、通过S-过硫化修饰（一种特定的翻译后修饰）调节蛋白质功能以及直接的氧化应激防御 4, 6, 7, 10。由于抗生素经常诱发下游活性氧（ROS）的产生和代谢紊乱，细菌利用这些富含硫的分子来缓冲氧化损伤、调节膜电位并调控与存活相关的转录途径 6, 11。因此，超硫化物日益被认为是表型药物耐受性的贡献因素——即一种暂时的、非可遗传的抗生素暴露存活能力，还可能促进在致死剂量下存活但未获得可遗传耐药突变的亚群中的持留现象。

该系统的临床和机制意义已通过若干里程碑式的发现得以阐明。直接证据已确立超硫化物可以主动灭活β-内酰胺类抗生素，从根本上改变了我们对代谢耐药的认知 [12]。细菌无需仅依赖专门的酶，即可利用超硫化物固有的化学反应活性直接中和特定的抗生素骨架。此外，在大肠杆菌（E. coli）中的转录组和功能研究已开始表征YgaV——一种对H₂S/超硫化物响应的转录因子——作为厌氧呼吸基因表达和抗生素耐受的调控因子 13, 14。

鉴于上述进展，本综述综合了关于细菌中CysSH、GSH、H₂S及其超硫化物的生物合成和分布的当前机制证据。若存在其他临床相关病原体的数据，包括金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa），将进行对比讨论。我们进一步考察了这些物种如何影响β-内酰胺耐受性，重点关注YgaV介导的转录调控，同时承认非肠道病原体中的同源系统仍缺乏充分的特征描述。最后，本综述将细菌超硫化物合成和硫代谢途径确定为值得进一步研究的候选靶点。尽管直接的临床前验证仍然有限，本文综述的机制证据为未来抑制剂开发和联合治疗策略的制定提供了合理依据，旨在减轻对现有抗生素的表型耐受性。

章节摘要

细菌超硫化物的形成

硫是所有生物体不可或缺的元素，是氨基酸、辅因子、铁硫簇以及众多氧化还原活性分子的组成部分 [15]。在细菌中，硫代谢不仅支持细胞生长和生物合成，还产生了一系列超硫化物，包括H₂S、有机和无机过硫化物和多硫化物。迄今为止，已在细菌中鉴定出多种低分子量超硫化物。其中包括CysSSH和GSSH，

宿主-病原体界面的超硫化物信号传导

超硫化物的意义超越了细菌生理学，延伸至宿主-病原体相互作用。在感染过程中，吞噬性免疫细胞（特别是中性粒细胞和巨噬细胞）产生活性氧（ROS）和活性氮物种（RNS），包括一氧化氮，以及细胞因子和趋化因子等炎症介质，以消灭入侵的病原体 [11]

细菌产生的H₂S和超硫化物通过增强抗氧化能力来对抗这些宿主来源的氧化和亚硝化应激因子

细菌超硫化物对β-内酰胺类的直接化学灭活

超硫化物，尤其是CysSSH，可以通过化学开环反应直接灭活β-内酰胺类抗生素。尽管先前研究报道细菌H₂S可降低对抗菌药物的敏感性 [34]，但其潜在机制一直不明确。Ono等人证明，β-内酰胺类抗生素——包括青霉素G、氨苄西林和美罗培南（碳青霉烯类）——在暴露于CysSSH后迅速丧失杀菌活性，而单独使用H₂S则无法引发此效应 [12]。

细菌超硫化物生物合成抑制剂

靶向细菌超硫化物生物合成途径是增强传统抗生素效力和逆转耐药性的验证策略。已鉴定出针对参与半胱氨酸生物合成的细菌酶（如CSE）的抑制剂，可抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生长 [41]。此外，这些抑制剂在体外和小鼠感染模型中均可增强杀菌性抗生素对这两种病原体的作用，证明其具有治疗

基于超硫化物对抗耐药菌治疗的挑战与未来研究方向

超硫化物已成为细菌抗生素耐药性的关键介质。超硫化物通过CysSSH直接化学灭活β-内酰胺类抗生素、上调外排泵、抵御氧化应激以及促进持留细胞形成等途径赋予耐药性。使用抑制剂靶向超硫化物生物合成途径是增强传统抗生素和克服多重耐药性的有前景策略。然而，仍存在重大挑战

结论

超硫化物已成为一个此前被低估的细菌抗生素耐药和耐受性轴心，与经典遗传机制协同运作而非孤立发挥作用。本文综述的证据表明，超硫化物通过多条机制不同的途径发挥作用：CysSSH对β-内酰胺类抗生素的直接化学灭活、YgaV/SqrR/BigR介导的氧化还原和呼吸基因的转录重编程、广谱

CRediT作者贡献声明

泽弘 T.：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，概念化。 Azizur Rahman：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿。 小野克彦：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿

数据声明

本手稿未产生新的数据。

利益冲突

所有作者均无利益冲突需要声明。

数据可用性

本研究未使用任何数据。

资金支持

本研究部分由日本文部科学省科学研究费补助（A类）（25H01029，授予T.泽弘）和（C类）（25K08926，授予K.小野）资助，以及日本医学研究开发机构（AMED）CREST项目（项目编号23gm161001h001，授予T.泽弘）资助。

Azizur Rahman|小野克彦|泽弘 T.