katG

概述

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    结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis，MTB)，简称结核杆菌，是人类历史上最“悠久”，对人类威胁最大的病原体之一，是结核病的元凶，可累及全身多个器官，以肺结核最为常见。据世界卫生组织报道，全球有活动性肺结核病人约2000万，每年新发结核病人约800-1000万，约有300万人死于结核病，且80%以上的患者都是15～49岁的青、壮年。

    异烟肼(isoniazid，INH)，化学名称4-吡啶甲酰肼(图1)，别名雷米封、异盐酸肼，是50多年前开始使用的一种抗结核病药，也是人类第一批用于抗结核的药物。主要用于各型肺结核的进展期、溶解播散期、吸收好转期，也可用于结核性脑膜炎和其他肺外结核等。作为治疗结核病的第一线药，INH对结核分枝杆菌有较强的抑制和杀灭作用，多与其它抗结核药合用以减少结核分枝杆菌耐药性的产生，并起到协同作用，有利于提高疗效。

                                                                                        图1 异烟肼的结构式


基因结构

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    katG基因是MTB染色体中的一功能区段，其上游相隔44个碱基与furA 基因相连，下游相隔2,794个碱基与embC基因相连。应用kpn I限制性内切酶对MTB INH敏感标准株H37Rv进行消化后，得到一个大约4,810bp的DNA片段。katG基因就位于该片段的第1979-4201位，全长2,223 bp，其中A 428bp， C 696bp，G 740bp，T 359bp，C+G占64.6%。将此片段转染到一个能在500μg/ml INH中生长的耻垢分枝杆菌中，结果使后者获得了对INH的敏感性(M IC=8-32μg/ml)，而对其他药物的MIC不变，证实了此DNA序列确是katG基因，它与MTB对INH的耐药性呈直接相关。

异烟肼的作用机理

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    异烟肼(INH)作为抗结核治疗的首选药物，对结核病的有效控制发挥了重要作用。但近年来结核分枝杆菌对INH耐药性以及多重耐药的出现已成为抗结核治疗中的重大障碍。研究表明，INH实际上是一个药物前体，需经结核分枝杆菌的过氧化氢酶-过氧化物酶(katG)活化后才发挥抗结核作用。

                                                                                 图2 INH的活化

    katG是活化异烟肼的关键酶之一。katG水平高，则细菌对异烟肼的敏感度高，反之，则不敏感[1]。katG将异烟肼氧化为亲核自由基(nueleophilic radical)，后者与辅因子NAD+反应，形成一个共价加合物INH-NAD(H)(图2)，抑制enoyl-ACP还原酶(InhA)[2, 3]。InhA被抑制后，枝菌酸的合成受到影响[4]。katG突变是导致MTB异烟肼耐药性的主要原因之一。临床上大多数异烟肼耐药与katG的缺失或突变有关；将katG导入耐药菌株，可以使其对异烟肼敏感。

    异烟肼作用的机制概述为[5]：异烟肼在进入巨噬细胞或结核分枝杆菌(MTB)过程中被包括katG在内的生物大分子活化为具有活性的形式，活化的异烟肼至少作用在枝菌酸(图3)合成有关的关键酶，如InhA等，同时引起次级代偿性反应，导致部分关键基因的表达改变，从而影响MTB关键成分合成，不利于MTB的生长、繁殖并最终导致MTB死亡。

                                                                                       图3 INH的分子通路