结核病是由结核分枝杆菌通过空气传播引起的世界性传染病。根据2021年世界卫生组织发布的全球结核病报告，2020年全球范围内约有990万新病例，约150万人死于结核病。受COVID-19大流行影响，2020年结核病作为单一传染源的死亡原因将降至第2位。耐药结核病仍然是一个公共健康威胁。了解结核分枝杆菌如何在宿主中发生突变和进化从而产生耐药性，将为改进结核病治疗和控制策略提供理论指导。结核分枝杆菌在遗传上是静态的，突变率低，并通过单核苷酸多态性进化。然而，在持续化疗的情况下，一小部分结核菌最终会产生广泛的抗生素耐药性。目前尚不清楚这种基因稳定的生物体为何能如此迅速地适应抗生素治疗和感染宿主的免疫压力。
微生物表观遗传学是研究微生物多样性形成、基因调控、进化遗传和表型分析的重要新兴领域。细菌中最常见的DNA甲基化在腺嘌呤上（N6-methyladenine，6mA），在结核菌中有3种甲基转移酶-MamA、MamB和HsdM。临床分离的结核分枝杆菌的6mA甲基化组分析显示DNA修饰有助于细菌快速适应不断变化的环境压力；结核菌不同进化谱系来自不同的地理区域，这些结核菌亚群的遗传变异影响耐药性的进化。

结核菌DNA甲基化的基础研究很少，米凯霞课题组通过遗传学方法构建了不同HsdM的重组菌株，筛选了结核病临床治疗的抗生素包括异烟肼（INH）、利福平（RFP）、链霉素（STR）、乙胺丁醇（EMB）、环丙沙星（CIP）和氧氟沙星（OFX）（图1），与野生型比较，hsdM敲除菌高抗INH。利用Pacbio三代单分子实时测序技术（Single-Molecule Real-Time，SMRT），鉴定出219个HsdM甲基化的底物。生物信息学分析表明，大多数HsdM修饰的基因在呼吸和能量相关通路中富集。qPCR分析的结果显示，HsdM的修饰影响了基因的转录。潜伏感染模型中，ΔhsdM比野生型BCG具有低氧存活的优势，并且HsdM调节潜伏复活相关基因trcR的表达水平。基于研究结果，我们提出了分枝杆菌表观遗传调节异烟肼耐药新的分子机制--HsdM通过甲基化修饰调控基因的转录水平，改变了分枝杆菌氧化还原状态，从而降低结核菌对异烟肼的敏感性（图2）。研究表明表观遗传在分枝杆菌耐药中起着重要的作用，研究为抗生素靶标选择和抗生素研发提供了新思路。

图1. HsdM降低BCG对异烟肼的药物敏感性

图2. HsdM调节结核菌异烟肼耐药性模式图

该研究以“The Mycobacterial DNA Methyltransferase HsdM Decreases Intrinsic Isoniazid Susceptibility”为题在Antibiotics期刊上发表。课题组胡新玲助理研究员和周心童助理研究员为该文章的并列第一作者，米凯霞研究员为通讯作者，中国科学院微生物所朱宝利研究员和中国农业大学胡永飞教授为共同作者。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、东京大学医学研究所国际联合研究项目及儿科重大疾病研究教育部重点实验室开放课题的支持。
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