船长教学设计
王颖思;周刚;彭红;谢小保;黄小茉;施庆珊
【摘 要】Nitric oxide (NO) is a gaseous signal molecule with functions of adjusting vascular tension,inducing apoptosis of tumor cell and reducing botanic maturity.The latest researches demonstrate that NO can protect bacterial cells by limiting the intake of antibiotics,whereas,NO also can kill bacteria at high concentration.NO affects the bacterial biofilms formation mainly in three ways:two-component systems,c-di-GMP and quorum sensing.However,different bacteria exhibits different NO effects.In this paper the molecular functions of NO on the bacterial resistance mechanisms and biofilms formation were mainly introduced,and new directions for the development of NO research were also prospected.%一氧化氮(NO)是一种气体信号分子,具有调节血管张力、引起肿瘤细胞凋亡和减缓植物成熟等功能.最新研究发现,NO可以通过限制菌体对抗生素药物的摄入等保护细菌,但高浓度的NO对细菌又具有杀灭作用;与此同时NO通过双分子系统、c-di-GMP和体感应等影响细菌生物膜的形成,但细菌种类不同NO的影响效果也不同.本文主要对NO在细菌抗菌机理和生物膜形成的分子作用等进行综述,同时,也对NO研究发展的新方向进行了展望. 【期刊名称】《工业微生物》
难忘的一天教学设计
【年(卷),期】2017(047)005
【总页数】7页(P59-65)
【关键词】一氧化氮;杀菌剂;抗药性;生物膜;分子作用
thomas征【作 者】王颖思;周刚;彭红;谢小保;黄小茉;施庆珊
【作者单位】广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070;广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070;广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070;广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070;广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验
室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070;广东省微生物研究所,省部共建华南应用微生物国家重点实验室,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东广州510070
【正文语种】中 文
气体信号分子(Gasotransmitters)或者称为气体递质，主要包括一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)以及近年发现的潜在气体信号分子氨气(NH3)、甲烷(CH4)和氢气(H2)等[1]，NO的首次发现揭示体内这种简单的小分子气体调节复杂生理功能[2]，同时也是第一个被确定的气体信号分子。NO 的物理性质不活泼，在水中难溶解，是一种自由基，具有未配对电子，易与超氧化物自由基、氧、过渡金属离子发生化学反应，能被氧化成亚硝酸盐或硝酸盐，与血红蛋白、超氧离子及其它含血红素的物质结合后能使其生物活性消失；同时，NO 是没有极性的分子，因此不需要载体就可以穿过质膜并扩散至邻近的细胞，NO 的半衰期很短，所以只能作用于相邻的细胞[3]，而且不容易积累。NO生物学效应的发现是一次革命，使人类第一次认识到气体也可以作为重要的细胞信号分子，并在此基础上研制出一种神奇的药物-伟哥，同时发现NO 的科学家也获得了1998 年度的诺贝尔生理和医学奖。
hadam气体信号分子的生物学功能研究已成为当前生命科学研究领域中激素和信号转导研究的热点。NO在人类疾病和植物生命周期调控等方面都具有重要的作用，不仅如此，最新研究也发现，NO可以通过限制菌体对抗生素药物的摄入等保护细菌，但高浓度的NO对细菌又具有杀灭作用，细菌生物膜是一种不同于浮游菌的细菌聚集体，对环境胁迫有较强的抗性[4]，一旦形成，将难以清除，同时对人类的健康也会造成一定的威胁。研究表明，可以利用NO对生物膜形成的影响机理来设计新的抗菌药物，降低生物膜的耐药性。
ufc135>近代汉语1.1 心血管疾病
从1987年发现内皮源松弛因子(EDRF)对舒张血管平滑肌细胞(VSMC)及血小板作用与外源NO的功能完全相同，推测EDRE可能就是NO[5]。自此NO成为研究心血管系统生理、病理的重要的信号分子。NO激活鸟苷酸环化酶，鸟苷酸环化酶是组成环磷酸鸟苷(cGMP)的重要成分。cGMP激活cGMP依赖蛋白激酶，导致蛋白磷酸化，降低细胞溶质钙的程度，使血管平滑肌细胞舒张[6]。NO、S-亚硝化转录因子和其他信号蛋白的生物利用度是各种流动条件下血管内皮稳态的重要决定因素。另外活性氧(ROS)与NO反应形成过氧亚硝酸盐，这是引发动脉粥样硬化的关键分子，同时导致NO生物利用度低[7]。因此，NO用于预防、诊
断和许多心血管疾病，在临床上，NO供体药对高血压、中风、冠状动脉疾病和糖尿病的血管并发症非常有效[8]。随着亚细胞信号传导的认识增强，提出了一系列新颖的心血管疾病的方法：增强一氧化氮合酶的活力；增强硝酸盐-亚硝酸盐-NO途径的方法；发现新型NO供体药；通过对ROS的影响来限制NO代谢的药物，以及调节下游磷酸二酯酶和可溶性鸟苷酸环化酶的途径[9]。
1.2 引起肿瘤凋亡
NO的功能具有两面性，既有有益的一面也有有害的一面。NO通过cGMP依赖性和包括在半胱氨酸(S-亚硝基化)，酪氨酸硝化和S亚硝基谷胱甘肽衍生化合物中翻译后修饰的cGMP非依赖性发挥它在细胞的作用。NO抗肿瘤的活性与缺氧诱导因子-1 (HIF-1) 和 p53调节的应激反应有关，而在NO高浓度下，缺氧诱导因子-1 (HIF-1) 和 p53通常会导致细胞生长停滞、凋亡[10]。NO低浓度下有助于血管生成，通过给予血流进入肿瘤导致细胞增殖[11]。
除了作用于细胞，引起细胞凋亡，NO在预防癌症转移中也具有的重要的作用。LU Y等研究发现，S-亚硝基卡托普利(CAP-NO)是典型的NO供体，可以被典型的NO清除剂血红蛋白和鸟苷酸环化酶抑制剂拮抗。CAP-NO以浓度依赖性方式抑制刺激的细胞粘附分子(CAM)
的表达，导致人结肠直肠癌细胞HT-29与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)异源粘附。然而相同浓度的CAP-NO没有显著影响HT-29的细胞活力、细胞周期和线粒体膜电位，因此排除了CAP-NO对HT-29的细胞毒性引起的异质粘附的抑制的可能性[12]。
基于NO的“双刃剑”作用，白成锋等认为，在设计NO供体性抗耐药肿瘤药物时，需要增强化合物的肿瘤选择性和靶向性。因此利用肿瘤微环境的特征(低氧、低pH等)或肿瘤细胞过度表达的酶、受体、蛋白转运体等，可以设计合成在肿瘤细胞或微环境中可激活的NO供体型化合物[13]。
1.3 植物
NO介导植物对各种非生物胁迫的反应[14]，又是导致气孔闭合、过敏反应和程序性细胞死亡的关键因素[15]。NO还可以通过其辅因子氧化灭活作用抑制ACC氧化酶(ACO)的活性，降低乙烯释放速度，减缓植物成熟和衰老[16]。
抗生素的长期和不正当使用将导致细菌产生耐药性，目前细菌抗药性已成为全球医疗界以及科学界的一大挑战。细菌抗药体系复杂，因此寻一种有效杀菌，又不会令细菌产生耐
药的药物是现今重要的研究方向。NO作为一种有较高活性的自由基气体分子[17]，能快速扩散通过细胞膜，而且半衰期短，在细菌抗药性的清除方面具有重要的作用。
氨基糖苷类抗生素对于细菌的作用主要是抑制细菌蛋白的合成，作用位点在细胞30S 核糖体亚单位的16S rRNA 解码区的A 部位。研究表明：此类药物可影响细菌蛋白合成的全过程，妨碍初始复合物的合成，诱导细菌合成错误蛋白以及阻抑已合成蛋白的释放，从而导致细菌死亡。细菌对氨基糖苷类抗生素产生抗性的机制很多，目前普遍接受的主要有三种：①通过减少对氨基糖苷类抗生素的摄取或减少药物在体内的累积而产生抗性；②通过改变核糖体结合位点而产生抗性；③通过表达氨基糖苷类抗生素修饰酶而产生抗性[18]。外源产生的NO与内源超氧化物(O2-)的反应产生的过氧亚硝酸盐(ONOO-)，对电子传递链(ETC)的NADH脱氢酶具有持久抑制作用。NO通过靶向抑制ETC功能，抑制阻断氨基糖苷摄取的能量的依赖，来保护革兰氏阳性和阴性微生物抵抗氨基糖苷类的细胞毒性[19]。NO还可以通过抑制呼吸链的细胞末端素氧化酶支持的电化学梯度，介导对β-内酰胺抗生素的细菌耐受性[20]。革兰氏阳性菌内源NO通过细菌一氧化氮合酶(bNOS)产生， bNOS具有含血红素的加氧酶结构域，通过电子转移过程产生自由基气体NO[21]。bNOS 的缺失可以导致菌体对氧化物和宿主分泌的内源性抗菌多肽类物质的抗性水平降低，从而导致金黄
葡萄球菌MRSA 被人体的中性细胞杀死，bNOS 还可以提高MRSA 对万古霉素和达托霉素的抗性水平[22]。GUSAROV I研究表明绿原蛋白抗生素(PYO)对NOS缺失菌株的抑制作用比野生枯草芽孢杆菌生长抑制要多。对NOS缺失菌株恢复外源NO供给后，在PYO作用下NOS缺失菌株恢复生长，表明NO可以保护细菌，抑制PYO作用[23]。但bNOS的缺失也会导致菌体对氨基糖苷类抗生素抗性的提高[22]。以上结果表明NO影响细菌对抗生素的敏感性，但物种和抗生素种类不同，其调节作用也有不同。
金黄葡萄球菌具有双分子体系—AirSR，是氧气感测和氧化还原信号调节剂[24]，通过[2Fe-2S]簇感测氧气以及多种环境或内源氧化还原信号。NO令[2Fe-2S]亚硝基化，抑制其组氨酸激酶的活性，从而关闭AirR的活性。AirSR系统破坏后，导致细菌在厌氧条件下对H2O2、万古霉素、诺氟沙星和环丙沙星的抗性增加。同时研究发现AirSR突变菌株中万古霉素出现了活力降低和减毒自溶[25-26]。
综上，NO 对细菌的保护作用或者使杀菌剂功效降低的机制在于以下几点：首先是NO 可以和杀菌剂结合，从而使杀菌剂的效能降低或者失活；其次激活细菌应激保护机制；再者就是NO 可以直接阻碍或者限制菌体对药物的摄入。
同时，研究也发现利用热敏Pluronic F868和支化聚乙烯亚胺(BPEI)组成聚合物F68-BPEI-NONOATE可以瞬时释放大量NO，比其他开发系统瞬间释放浓度增强36倍。利用此系统处理大肠杆菌和金黄葡萄球菌，发现NO诱导细菌膜不稳定，触发细胞死亡[27]。NO供体多糖衍生物DCSNO同样具有杀菌能力[28]。说明高浓度NO 可以作为杀菌剂，与此同时，由于NO半衰期短细菌不容易产生耐药性。NO与磺胺嘧啶银盐(silver sulfadiazine)合用，可以高效的协同杀灭大肠杆菌、粪肠球菌、奇异变性杆菌、铜绿假单胞菌、金黄和表皮葡萄球菌，但对于其中的机制没有探讨[29]。
细菌生物膜是一种附着于生物或非生物材料表面，被自身分泌的胞外大分子包裹有一定三维结构特点的细菌体[30]。细菌粘附于接触表面，分泌多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，将其自身包绕其中而形成的大量细菌聚集膜样物[31]。细菌生物膜的形成是一个动态的过程，一般包括四到五个阶段：最初的定植阶段、不可逆的粘附阶段、结构分化阶段、发展成熟阶段以及最后的细菌脱落和再植阶段[30-33]。
如上所述，细菌生物膜的发生和发展过程中有一个从浮游菌到成熟生物膜再到浮游菌的转变过程，从而使其再次附着在合适的物体或者材料表面而开始一个新的生物膜过程，而生
物膜的降解过程主要有以下几个方面的因子所引发，首先是生物膜内部所产生的氧化因子，其次是噬菌体的诱导，再者就是细胞自身的溶解[34]。在低浓度(25 到500 nM)的NO 诱发试剂硝普酸钠(Sodium nitroprusside， SNP)作用下，铜绿假单胞菌PAO1 的生物膜发生降解，同时，亚硝酸盐还原酶缺陷性菌株(ΔnirS)不能促进生物膜降解，但NO 还原酶缺陷型菌株(ΔnorCB)则促进了生物膜降解[34]，说明胞内累计过量的NO 会对生物膜产生毒害作用。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议