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瘧原蟲抗藥性的遺傳學(xué)研究進(jìn)展
摘 要 瘧原蟲產(chǎn)生抗藥性是瘧疾防治中遇到的主要難題之一?谷~酸類抗瘧藥的抗藥性機(jī)制已基本搞清,與其作用靶酶二氫葉酸還原酶或二氫蝶酸合成酶基因點(diǎn)突變相關(guān)。喹啉類藥物抗性影響因子尚不完全清楚。惡性瘧原蟲5號染色體上的多藥耐藥基因1及7號染色體上的cg2基因可能是抗性相關(guān)基因,但二者都不能完全解釋抗性,尚待深入研究。
瘧疾的流行至今仍然十分廣泛,遍及全球90多個國家和地區(qū),20億人面臨感染瘧疾的危險。據(jù)統(tǒng)計,全球每年有3億~5億瘧疾病例,導(dǎo)致150萬~270萬人死亡,其中100萬是居住在非洲的5歲以下兒童[1]。人類在長期實(shí)踐過程中篩選了大量防治瘧疾的藥物,但是,自從50年代末在東南亞和南美洲分別發(fā)現(xiàn)惡性瘧原蟲對氯喹產(chǎn)生抗藥性以后,抗氯喹惡性瘧迅速擴(kuò)散蔓延,抗藥性程度不斷增加,并且從單藥抗藥性向多藥抗藥性發(fā)展。我國的海南、云南和廣西等省、自治區(qū)也有抗藥性瘧疾的流行。目前,瘧原蟲對幾乎每一種抗瘧藥都產(chǎn)生了抗性,瘧疾防治形勢非常嚴(yán)峻,迫切要求我們盡快搞清抗藥性產(chǎn)生的機(jī)制,以便采取措施防止或逆轉(zhuǎn)抗藥性的發(fā)生并指導(dǎo)新藥研究。近年來,分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展及學(xué)科滲透大大推動了瘧原蟲抗藥性機(jī)制的遺傳學(xué)研究,本文就抗葉酸制劑及喹啉類藥物抗性的分子機(jī)制作一綜述。
1 抗葉酸制劑抗性的分子機(jī)制
1.1 二氫葉酸還原酶(DHFR)基因
乙胺嘧啶和環(huán)氯胍都是二氫葉酸還原酶抑制劑。研究表明,惡性瘧原蟲對兩藥產(chǎn)生抗藥性都與DHFR基因點(diǎn)突變相關(guān),但二者存在差異[2,3]。迄今為止,共報道了6個DHFR基因編碼區(qū)變異:108位Ser→Asn或Thr,51位Asn→Ile,59位Cys→Arg,16位Ala→Val,164位Ile→Leu。單一點(diǎn)突變所致DHFR108位Ser變異成Asn即可產(chǎn)生乙胺嘧啶抗性,但對環(huán)氯胍的反應(yīng)性僅稍有降低。對乙胺嘧啶產(chǎn)生高度抗性則需其他位點(diǎn)突變共存,包括51位Asn→Ile和(或)59位Cys→Arg。而與環(huán)氯胍抗性相關(guān)的變異是DHFR108位Ser→Thr伴隨16位Ala→Val,同樣,該抗性株對乙胺嘧啶的敏感性變化不大。
另外,在對乙胺嘧啶和環(huán)氯胍交叉耐藥的惡性瘧原蟲中發(fā)現(xiàn)存在多個位點(diǎn)變異:DHFR164位Ile→Leu,108位Ser→Asn,59位Cys→Arg和(或)51位Asn→Ile。由于僅包含Asn-108和Arg-59變異的原蟲分離物不具有環(huán)氯胍抗性,因此,認(rèn)為Leu-164變異在瘧原蟲對兩藥產(chǎn)生交叉抗性的機(jī)制中起重要作用[3]。
1.2 二氫蝶酸合成酶(DHPS)基因
磺胺類藥是二氫蝶酸合成酶抑制劑。研究發(fā)現(xiàn),正是由于磺胺類藥作用的靶酶DHPS基因點(diǎn)突變,使得酶活性中心結(jié)構(gòu)域形狀改變,因而降低了對藥物的敏感性。體外低葉酸條件下實(shí)驗(yàn)表明[4],與磺胺多辛易感性降低相關(guān)的DHPS氨基酸變異主要包括581位Ala→Gly,436位Ser→Phe伴隨613位Ala→Thr/Ser,以及436位Ser→Ala,437位Ala→Gly。
磺胺多辛通常與乙胺嘧啶合用于治療惡性瘧疾。對兩藥聯(lián)用的體外研究揭示,瘧原蟲對乙胺嘧啶的易感性決定著兩藥協(xié)同作用的效果[5]。體內(nèi)研究也發(fā)現(xiàn)[6],前面所述的DHFR變異類型均存在并與抗性程度相關(guān),而DHPS基因突變與抗性的發(fā)生沒有明顯相關(guān)性,僅在抗性程度較高的玻利維亞地區(qū)可見Gly-581高度流行,Gly-437和Glu-540的發(fā)生與用乙胺嘧啶-磺胺多辛治療失敗率相當(dāng),這可能由于體外研究中葉酸和PABA水平不同于體內(nèi)。另一種解釋是Ala-436的變異可能僅在低度抗性時出現(xiàn),且不與高度抗性時的變異Gly-437,Glu-540和Gly-581共存。因此推測,DHPS變異在臨床乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性的產(chǎn)生中不起主導(dǎo)作用。
我們能夠肯定,體內(nèi)乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性與DHFR基因突變相關(guān),然而在抗性瘧流行區(qū)治療失敗率并不像突變發(fā)生率那樣高,提示體外研究發(fā)現(xiàn)的三種變異Asn-108,Ile-51和Arg-59不能完全解釋體內(nèi)高度抗性。在玻利維亞的高度抗性病例中曾發(fā)現(xiàn)Leu-164及另外兩個新的變異Arg-50和插入30-31位間的玻利維亞重復(fù)區(qū)高度流行,提示這些變異可能是在抗性發(fā)展的較高時期產(chǎn)生的,關(guān)系到治療的成敗。據(jù)此Plowe等[6]提出假設(shè),體內(nèi)乙胺嘧啶-磺胺多辛抗性程度分級RⅠ,RⅡ,RⅢ正是基于DHFR和DHPS基因突變的不斷積累。由于現(xiàn)實(shí)中惡性瘧原蟲感染的復(fù)雜性及宿主免疫與葉酸水平的影響,事實(shí)上所檢測到的抗性突變往往是交叉重疊的。
總之,關(guān)于抗葉酸制劑的抗藥性分子機(jī)制已基本搞清。因此,我們可以根據(jù)特有的突變類型,運(yùn)用分子生物學(xué)的方法,進(jìn)行大規(guī)模的流行病學(xué)研究,這對于鑒定某一瘧疾流行區(qū)的藥物敏感性,從而指導(dǎo)臨床用藥具有重要意義;同時也可指導(dǎo)新藥設(shè)計及臨床藥物聯(lián)用,以最大限度地減少藥物抗性的發(fā)生。
2 喹啉類藥物抗性的分子機(jī)制
氯喹曾經(jīng)是使用最廣泛的抗瘧藥,由于抗性的發(fā)展及傳播,在大部分地區(qū)已不再具有以往的效力。影響抗性機(jī)理最終闡明的重要因素是喹啉類藥物作用機(jī)制還不十分清楚。不同地區(qū)的研究者報道關(guān)于氯喹抗性的一個共同特征是:抗氯喹蟲株較敏感性蟲株藥物聚集水平降低了。因此,氯喹的轉(zhuǎn)運(yùn)和聚集不僅對其發(fā)揮抗瘧活性是必需的,而且與抗性表型密切相關(guān),提示喹啉類藥物抗性產(chǎn)生可能與其作用方式?jīng)]有直接關(guān)系,這與抗葉酸制劑不同。
2.1 惡性瘧原蟲多藥耐藥基因(pfmdr1和pfmdr2)
研究發(fā)現(xiàn),維拉帕米(一種鈣通道阻滯劑)可逆轉(zhuǎn)氯喹抗藥性,促使人們考慮氯喹抗性可能與哺乳動物腫瘤細(xì)胞多藥抗藥性(MDR)表型相似[7]。研究表明,腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生MDR是由于一種ATP依賴性的、與藥物外排相關(guān)的蛋白過量表達(dá)所致,稱為P-糖蛋白,它定位于細(xì)胞表面,與許多不同類型的化合物有親合力[8]。在此基礎(chǔ)上,Krogstad等[9]發(fā)現(xiàn)抗氯喹株原蟲較敏感株排出氯喹的速率快40~50倍,且這種排出是能量依賴性的,并可被能量缺乏及ATP阻斷劑抑制。但是也有研究顯示,抗氯喹株與敏感株藥物外排率相等[10];二者藥物聚集量的差別是由于最初的藥物攝入速率不同所致[11]。
哺乳動物MDR表型通常伴有mdr基因的擴(kuò)增,導(dǎo)致其產(chǎn)物P-糖蛋白表達(dá)增加[8]。對惡性瘧原蟲基因的研究表明也存在mdr基因同系物,以pfmdr1和pfmdr2為主[12,13]。目前尚無證據(jù)表明pfmdr2及其表達(dá)產(chǎn)物與氯喹抗性有關(guān),而有相當(dāng)多的研究認(rèn)為pfmdr1與抗藥性機(jī)制相關(guān)。
Pfmdr1編碼一個相對分子質(zhì)量約162的蛋白,稱為P-糖蛋白同系物1(Pgh1)。早期研究表明,在一些抗氯喹株中存在pfmdr1擴(kuò)增[12,13]。免疫熒光及免疫電鏡技術(shù)觀察pfmdr1蛋白產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)Pgh1在紅內(nèi)期表達(dá),主要定位于食物泡膜上,這與它可能充當(dāng)氯喹轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的角色一致,但是定量分析不能確認(rèn)Pgh1過表達(dá)與抗藥性相關(guān)[14]。
Foote等[15]對pfmdr1基因3′多態(tài)性及等位基因變異分析表明,pfmdr1突變與氯喹抗性表型相關(guān),并提出存在兩種類型抗性相關(guān)等位基因,一種可致單一氨基酸變異86位Asn→Tyr,為K1型;另一種則導(dǎo)致三種氨基酸變異,1034位Ser→Cys、1042位Asn→Asp和1246位Asp→Try,為7G8型。這可能分別代表著最早在東南亞和南美洲出現(xiàn)的氯喹抗性類型。以此為基礎(chǔ),運(yùn)用單盲法研究,曾正確地預(yù)測了36份樣品中的34份的藥物易感性。Adagu等[16]的研究也表明86位Tyr突變與氯喹抗性相關(guān)。但是,同時有些研究不能得到相同的結(jié)果。這提示可能pfmdr1不是唯一的控制抗性的基因。
氯喹抗性與pfmdr1的關(guān)系尚不明確,從選自氯喹抗性親代的甲氟喹抗性株中卻發(fā)現(xiàn)有pfmdr1的擴(kuò)增,并且蟲株對甲氟喹抗性增加的同時對氯喹的易感性增加了[12]。Barnes等[17]的研究表明,隨著原蟲對氯喹抗性的增加,pfmdr1基因拷貝數(shù)減少,甲氟喹易感性增加,這無疑加強(qiáng)了pfmdr1擴(kuò)增與甲氟喹抗性的關(guān)聯(lián)。因此推測pfmdr1擴(kuò)增可能與氯喹高度抗性是不相容的,Pgh1的功能可能是促進(jìn)對氯喹的易感性。
將pfmdr1基因轉(zhuǎn)染于異源表達(dá)系統(tǒng)中國倉鼠卵巢細(xì)胞(CHO),使其表達(dá)惡性瘧原蟲Pgh1,發(fā)現(xiàn)Pgh1表達(dá)伴隨有能量依賴性的藥物攝入增加[18],而且Pgh1就定位于轉(zhuǎn)染的CHO細(xì)胞溶酶體上,經(jīng)測定,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染細(xì)胞溶酶體內(nèi)pH值有所下降,認(rèn)為氯喹聚集增加可能是溶酶體酸化的結(jié)果,推測pfmdr1可能編碼一種液泡氯化物通道。當(dāng)CHO細(xì)胞被攜帶有7G8型1034和1042位突變的pfmdr1基因轉(zhuǎn)染時,則發(fā)現(xiàn)氯喹易感性喪失,細(xì)胞聚集藥物及酸化溶酶體的能力減弱,這就從某種意義上證實(shí)了關(guān)于Pgh1促進(jìn)氯喹易感性的推測。但這仍不足以解釋抗性。Ritchie等[19]發(fā)現(xiàn)源自氯喹抗性親代的鹵泛曲林抗株表現(xiàn)對鹵泛曲林、甲氟喹和奎寧敏感性降低而對氯喹敏感性增強(qiáng),卻未檢測到任何pfmdr1基因序列或拷貝數(shù)及Pgh1表達(dá)的變化。
很明顯,關(guān)于pfmdr1與喹啉類藥物抗性的關(guān)系仍有很大疑問,可能抗性的發(fā)生有一定的地理學(xué)基礎(chǔ),而尋找某個單一的基因來解釋抗性本身過于簡單化,氯喹抗性發(fā)生的緩慢及復(fù)雜性也不支持單基因決定抗性的假設(shè)。
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