《Nature Communications》：Beyond metabolic dormancy: metabolic rewiring in bacterial persistence
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本研究探讨了细菌持久细胞（persisters）在慢性与复发性感染中的关键作用。针对其代谢可塑性和异质性认识不足的现状，作者系统阐述了由遗传、环境及细胞过程内在变异性塑造的持久细胞代谢的静态与动态特征，揭示了其非均匀代谢休眠的本质及独特的代谢重塑机制，为开发针对持久细胞的抗菌治疗新靶点提供了重要理论依据。
在抗生素与细菌的漫长军备竞赛中，细菌不仅演化出通过基因突变产生、能将抗生素“拒之门外”的“耐药性”，还发展出一种更为狡猾的生存策略——抗生素耐受性。其中，一小撮名为“持久细胞”的“卧底”尤为棘手。它们并非基因突变体，而是一群在抗生素胁迫下“装死”进入休眠或缓慢生长状态的“演技派”，从而在抗生素的狂轰滥炸中幸存。当压力解除，它们又能“满血复活”，导致感染迁延不愈、反复发作。自20世纪40年代Gladys Hobby和Joseph Bigger首次在青霉素治疗中观察到它们的身影以来，科学家对这群“幽灵细胞”的生理机制，尤其是其代谢状态，依然知之甚少。
传统观点认为，持久细胞通过彻底“关闭”新陈代谢、进入深度休眠来躲避抗生素的攻击，即“装死”策略。然而，越来越多的证据表明，现实可能复杂得多。持久细胞并非千篇一律的代谢“僵尸”，它们的代谢状态呈现出惊人的多样性。有些细胞或许确实深度休眠，但另一些则可能进行着精密的代谢“重组”，以维持生存、修复损伤并为最终“复苏”积蓄能量。理解这种代谢异质性及其背后的调控机制，是开发出能够彻底清除这些“漏网之鱼”的新疗法的关键。为此，一篇发表在《自然-通讯》上的前瞻性观点文章，对细菌持久细胞的代谢重塑进行了深入剖析。
研究者并未进行特定的样本队列构建，而是对领域内大量研究进行了系统性综述与整合分析。文中引用的证据来源于多种关键技术方法，包括：利用荧光报告蛋白进行的单细胞成像技术，以追踪稀有持久细胞的命运；流式细胞术结合荧光蛋白稀释或氧化还原（Redox Sensor Green）染色，用于区分生长与非生长细胞并评估其代谢活性；基于代谢物补充的氨基糖苷类抗生素增效实验，用于探测持久细胞的质子动力势（PMF）和能量代谢状态；以及通过分子生物学和遗传学手段（如基因敲除突变体）研究特定代谢通路（如TCA循环、电子传递链）和调控网络（如cAMP-CRP、(p)ppGpp、SOS反应）在持久细胞形成与维持中的作用。
代谢重塑：持久细胞生命周期的驱动力
该部分指出，代谢是驱动持久细胞形成、维持和复苏的核心。持久细胞并非简单地“关闭”代谢，而是对其进行了“重新布线”，将能量从核糖体生物合成、细胞壁合成和DNA复制等耗能的合成代谢过程，重新分配到呼吸、质子动力势生成、ATP合成以及应激保护和修复系统，以维持长期生存。这种代谢重编程是主动的、受调控的过程。
形成
持久细胞的形成可随机发生，也可由环境信号触发。随机的细胞间代谢活性能量动态波动，可能导致(p)ppGpp积累、毒素-抗毒素系统激活，从而减缓生长。环境因素，如碳源快速变化、营养转换或转运抑制导致的中枢碳流崩溃，可引发cAMP-CRP信号传导、严紧反应（(p)ppGpp水平升高）和σS应激反应，进而诱导多种毒素-抗毒素模块，重编程转录。抗生素本身也可作为代谢触发器，例如氟喹诺酮类诱导的DNA双链断裂可激活RecA，引发SOS反应，上调TisB等毒素，促使细胞进入耐受状态。
维持
尽管持久细胞相对于指数生长期细胞ATP水平或能量通量降低，但它们必须维持足够的能量以在长期抗生素暴露下存活，并进行DNA损伤修复、蛋白质去折叠/降解、膜修复等ATP依赖的过程。突变体研究表明，三羧酸（TCA）循环、泛醌生物合成、电子传递链（ETC）等中枢能量代谢节点的缺陷会损害持久细胞的存活，说明这些通路对维持持久细胞活力至关重要。持久细胞能够保留或快速恢复质子动力势（PMF），这解释了特定碳源（如葡萄糖）如何通过恢复PMF来增强氨基糖苷类对持久细胞的杀伤（即氨基糖苷类增效）。某些持久细胞亚型（如MazF衍生的持久细胞）甚至表现出高度特化的代谢活性增加。然而，持久细胞并不需要表现出比药物敏感细胞更高的代谢活性，而是达到一种平衡状态，以支持修复和维持功能，同时避免激活抗生素靶标或产生过量的活性氧。代谢过度活跃的突变体（如phoU）反而持久细胞形成减少，支持了这一模型。
持久性逆转
持久细胞的复苏并非代谢休眠的被动解除，而是由特定营养感应、代谢和修复通路介导的主动过程。环境线索通过趋化受体和磷酸转移酶系统感知，可能触发中枢碳流、呼吸和核糖体功能的恢复。尽管持久细胞中的核糖体可能因休眠和核糖体调节因子而失活，但证据表明持久细胞富集群中仍存在低水平的广泛翻译和动态转录活性，这可能支持其复苏。复苏还需要能量依赖的损伤细胞成分清除。单细胞分析显示，DNA损伤负荷及其清除效率强烈影响个体持久细胞的复苏速度。修复DNA损伤、清除错误折叠蛋白质等过程需要大量能量，这些能量来源于代谢的重新激活。
代谢作为持久细胞中的药物靶点
根除持久细胞是一个重大临床挑战。传统上，针对生长细菌有效的中心能量代谢靶向策略被认为不适用于非生长或缓慢生长的持久细胞。然而，越来越多的证据表明持久细胞中存在维持能量和应激反应的基线代谢活性。氨基糖苷类抗生素的增效现象（通过添加碳源恢复持久细胞PMF，从而增强其杀伤）有力证明了持久细胞具有代谢能力，能够维持或快速启动关键的代谢功能。因此，不可逆地破坏持久细胞的能量代谢（如ATP合酶），可能成为杀死这些最顽固、药物耐受状态细胞的新策略。在分枝杆菌中，氧化磷酸化通路已成为一个有前景的药物发现靶点。
持久细胞代谢中的一个争议：遗传和环境的复杂性塑造了持久细胞
关于持久细胞代谢是否活跃存在争议，这反映了实验条件、生长状态和分析方法的差异，而非真正的矛盾。持久细胞的动态景观受到多种相互关联因素的影响：
- 1.
冗余的生存机制：细菌拥有丰富且重叠的生存机制（如严紧反应、毒素-抗毒素系统、SOS网络、资源回收），允许不同亚群根据不同环境调整生理状态进入持久态。
- 2.
突变的影响：频繁发生的突变，特别是调控或代谢基因的微小变化，可能在不影响最低抑菌浓度（MIC）的情况下影响持久性。此外，具有较高MIC的异质性耐药亚群可能与持久细胞混淆。
- 3.
菌株遗传背景：即使是密切相关的实验室菌株（如E. coliMG1655与BW25113），同一基因敲除也可能导致持久细胞数量显著差异。临床分离株的反应也差异很大。
- 4.
基因表达的随机性：调控网络中的随机波动导致持久性通路在细胞间的异质性激活，这是微生物系统的内在特征。
- 5.
实验条件的可变性：培养物的生长阶段、培养基、营养水平、抗生素类型、浓度和暴露时间等许多因素都会影响持久细胞的形成。不同抗生素类别（β-内酰胺类、氟喹诺酮类、氨基糖苷类）通过消除不同生长状态、应激反应活性和代谢能力的细胞亚群，导致持久细胞水平不同。因此，持久性并非单一表型，而是由抗生素、环境条件和细菌策略共同塑造的多种情境依赖性生存状态。
培养物年龄可能混淆代谢休眠
培养物年龄是一个关键实验条件，它通过改变细胞代谢状态、非生长细胞比例和群体异质性来影响持久细胞的形成和生理。研究表明，在指数生长期，来自24或48小时老培养物的细菌群体中含有大量非生长细胞，而较年轻（16小时）的培养物则主要由分裂细胞组成。利用氧化还原（RSG）染料测量发现，在老培养物（48小时）中，非生长细胞的代谢活性通常低于分裂细胞，但仍有部分与分裂群体显著重叠。这与此前报道的老培养物中抗生素敏感细胞和耐受细胞的ATP谱模式相似。这些发现表明，持久细胞在形成时可能具有代谢活性，但随着培养物老化，可能逐渐过渡到低能量状态。因此，在分析持久细胞特征时，必须仔细考虑培养物年龄，因为许多持久细胞可能在采样前很久就已形成，且长期处于营养匮乏的稳定期环境会耗尽其内部能量储存并减缓代谢。
本文得出结论，细菌持久细胞代表了一个代谢状态的范围，而非统一的代谢休眠群体。它们的形成、维持和复苏都是由主动的代谢重塑驱动的。这种重编程涉及能量分配的转变，从生物合成转向维持和修复功能，并由遗传背景、环境信号和细胞过程的内在变异性共同塑造。传统上将持久细胞简单地等同于代谢休眠的观点过于简化，忽略了其内在的异质性和生理复杂性。培养物年龄、实验条件和菌株遗传差异等因素是导致文献中关于持久细胞代谢活性看似矛盾结果的重要原因。承认并深入理解这种复杂性，对于开发出能够靶向持久细胞脆弱代谢依赖性的新型抗菌治疗策略至关重要。这项研究不仅深化了对细菌持久性这一基本生物学现象的理解，也为解决慢性感染和抗生素治疗失败这一紧迫的临床问题提供了新的思路和潜在靶点。
