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细菌耐药性的起源与演变

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《基因组学与应用生物学杂志》2015年第四期

1细菌耐药性的演变(evolutionofantibioticresistance)

细菌获得的耐药性相关遗传因素赋予了其耐药性。根据相关研究,发现细菌耐药性的演变过程大概经历了三个阶段:抗生素使用之前,耐药性从无到有的功能变异(exaptation)过程;抗生素引入临床治疗促进了耐药性细菌的出现;抗生素的广泛使用甚至滥用,导致多重耐药细菌和超级细菌不断出现。在人类使用抗生素之前,产抗生素细菌的前耐药基因(pre-resistencegenes)就已经进化了数百万年。该类基因仅能够对自身所产抗生素具有解毒功能(detoxification),而并不能对其它细菌所产的抗生素起解毒作用。当一些在原始微生物中发挥不同功能的基因转移到新的细菌宿主中时,能赋予包括人类病原菌在内的新宿主的耐药性(Baqueroetal.,2009)。研究发现,昆虫肠道微生物的外排泵没有外排抗生素的能力,但当它转移至大肠杆菌时却可以外排抗生素,从而赋予了细菌耐药性(Kadavyetal.,2000;Allenetal.,2009)。一些原始细菌中的前耐药基因并不发挥耐药功能是由于其表达水平很低;但当这些基因转移到新宿主中时,可能会整合在高拷贝的质粒中或者强启动子引发了它的高表达,因此表现出了耐药性(Martinezetal.,1987;Martinezetal.,1989;DantSommer,2012)。类似于这种在原始宿主中并不表现出耐药功能的基因,但当其转移到人类病原菌等细菌中就可能成为耐药相关基因,在这个过程中基因本身并没有发生遗传上的改变,仅仅是其所处的宿主环境发生了变化,将耐药基因的这种演变方式称为功能变异(exaptation)(uldVrba,1982)。

抗生素的广泛使用明显促进了耐药突变体的出现。在无抗生素或低浓度抗生素条件下,敏感性菌株繁殖占优势,导致耐药性细菌在生存竞争中很难被选择下来;而当抗生素选择压力逐渐增大时,敏感性细菌的生长不断受到抑制甚至被杀死,大大减小了耐药性细菌的生存压力(WaksmanWoodruff,1940;Mart侏nez,2008)。汪复研究了金黄色葡萄球菌的临床分离株,发现其对红霉素的耐药率逐年上升(1972年为16.7%;1973年为47%;1977年为50%);虽然所分离的大多数菌株对庆大霉比较敏感,但其对庆大霉素的耐药率也呈上升趋势(汪复,1983,江苏医药,11:46-48)。朱德妹等(1989)发现临床分离的金黄色葡萄球菌除了对青霉素G等常用的抗生素具有较高的耐药水平外,部分菌株还对头孢呋新、头孢噻肟和丁胺卡那霉素等较新的抗生素也出现了耐药的现象。研究发现,即使是亚抑制浓度的抗生素压力,也能够增加细菌DNA的突变频率和基因水平转移速率,促进了耐药性突变体的出现和耐药性的传播(Beaberetal.,2004;Guerinetal.,2009;L佼pezBl佗zquez,2009;Kohanskietal.,2010;GillingsStokes,2012)。随着抗生素大量使用及滥用,许多人类致病菌已经演变成多重耐药细菌。自20世纪70年代茁-内酰胺类抗生素引入治疗临床感染后,铜绿假单胞菌、大肠杆菌、沙门氏菌等一些革兰氏阴性致病的茁-内酰胺酶种类明显增加,目前为止已经发现有1000多种茁-内酰胺酶(来自新型基因和它们的突变体)(Ja-coby,2009;BushJacoby,2010;Poireletal.,2010)。

基因水平转移作用在细菌对茁-内酰胺类抗生素的耐药性传播过程中起重要作用(DaviesDavies,2010)。近年来,鲍曼不动杆菌的耐药性发生了快速的演变,从2002~2011年,所检测的菌株对氨苄西林、头孢西丁、头孢唑林等多种抗生素的耐药率十年来均持续表现为100%,而对氨苄西林舒巴坦、阿莫西林克拉维酸、氨曲南、亚胺培南等多种抗生素的耐药率从0.00%增长到高于50%(刘德华等,2015),这表明鲍曼不动杆菌在抗生素压力下耐药性发生了快速的演变。此外,食物链的富集作用等人类活动也促进了细菌耐药性的传播与演变。2012年Jaing等人研究中国农场使用抗生素养殖过的鱼,在其肠道中分离出了含耐药基因(qnrB,qnrS,blaCTX-M-14,blaCTX-M-79)的大肠杆菌,随后在人体内的大肠杆菌、克雷伯氏细菌中也发现了该类耐药基因(Jiangetal.,2012)。这都说明抗生素的广泛使用促进了细菌耐药性的演变和传播。

2细菌的耐药机制(mechanismsofantibioticresistance)

那些最初并非发挥耐药功能的基因,在包括人类病原菌在内的细菌中经历了复杂的演变过程。随着抗生素使用频率的持续增加,引发了细菌的耐药性问题并且该现象不断加剧。细菌的耐药机制成为了研究者们关注的焦点。通常情况下,对其耐药机制的研究主要从抗生素钝化酶、药物作用靶点、多药外排系统、膜的渗透性等方面着手。本文基于细菌耐药性的起源与演变进程,根据细菌自身是否降低了抗生素的有效浓度/数量,对其耐药机制进行讨论。当细菌感受到抗生素压力时,可以通过抗生素水解/钝化酶或多药外排泵降低抗生素的有效活性,提高细菌在抗生素环境下的生存能力。目前,研究者已经阐明病原菌中有数千种降解或修饰抗生素的酶。铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌等携带编码碳青霉烯酶的质粒,介导细菌对该类抗生素的耐药性(Tzou-velekisetal.,2012);大肠杆菌编码的CTX-M14和CTX-M15赋予其对头孢菌素的耐受性(Poireletal.,2012;ZhaoHu,2013)。研究人员发现,大分子的氨基糖苷类抗生素对酶的修饰作用敏感性较高,细菌编码的乙酰转移酶、磷酸转移酶以及核苷酸转移酶可以对其进行修饰,使自身产生耐药性(NorrisSerpersu,2013)。类似地,一些外排泵也可降低抗生素的有效活性。绝大多数微生物编码的多药外排泵具有广泛的底物特异性,可以外排多种抗生素,阻止抗菌剂与其作用靶点的结合,从而使细菌产生了耐药性。铜绿假单胞菌中MexAB-OprM外排泵对茁-内酰胺类、喹喏酮类、磺胺类等多种抗生素具有外排功能,该外排泵在其内在耐药性方面起重要作用(Pid-dock,2006);大肠杆菌中的AcrAB外排泵也具有类似的功能(Baucheronetal.,2014)。像抗生素修饰/钝化酶、多药外排泵这种能够有效降低抗生素浓度/数量的耐药机制被称为主动耐药机制(activemecha-nismsofresistance)(Mart侏nezBaquero,2014),一般情况下这类耐药元件可以通过无性繁殖或基因水平转移获得。在抗生素压力下,细菌可通过改变与抗生素相互作用的靶点或降低能够接触的靶点抗生素有效浓度,提高细菌在抗生素环境下的适应性。通过分析临床病原菌的耐药原因,发现药物靶点编码基因的单位点发生突变,则可能产生耐药性。利奈唑胺的作用靶点是革兰氏阳性细菌核糖体23S亚基,它通过抑制mRNA与核糖体的结合,从而阻止细菌蛋白质的合成抑制它的繁殖。若利奈唑胺作用靶点的编码基因发生突变,则细菌可对该抗生素的产生抗药性。在临床利奈唑胺存在的条件下,肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌因23SrRNA基因突变引起耐药性的突变株将会被选择下来(Leclercq,2002;Gaoetal.,2010;Billaletal.,2011)。类似地,金黄色葡萄球菌mprF(编码耐药因子)位点的突变,导致膜和磷脂成分发生改变,降低了达托霉素破坏细菌细胞膜的能力,从而使其对该抗生素产生了耐药性(Mishraetal.,2013)。类似地不改变抗生素活性可产生耐药性的耐药机制还有降低能够接触靶点的游离抗生素有效浓度。孔蛋白表达的降低或多选择通道(porinswithmore-selectivechannels)代替低渗透性孔蛋白,可降低能够接触靶点的游离抗生素有效浓度。一些缺乏碳青霉烯酶表达的肠杆菌科临床菌株也可对碳青霉烯类抗生素产生耐受性,这是由于孔蛋白编码基因或等位基因突变导致其表达降低,减少了靶点处游离抗生素的有效浓度(Wozniaketal.,2012;Baroudetal.,2013;Blairetal.,2015),从而使其对该类抗菌药物产生了耐受性。类似于抗生素作用靶点的改变,若编码转运蛋白或抗生素前体激活蛋白的基因发生突变,也能降低接触靶点的游离抗生素有效浓度。像这种不改变抗生素活性,只是通过改变抗生素作用靶点或降低能够接触靶点的游离抗生素有效浓度(即膜渗透性降低)的耐药机制被称为被动耐药机制(psivemechanismsofresis-tance)(Mart侏nezBaquero,2014)。这种耐药性可通过无性繁殖进行传播。多数情况下,突变的耐药基因不能通过基因水平转移进行传播,然而,肺炎双球菌中突变的拓扑异构酶的基因却可以通过这种作用进行传播(Ferr佗ndizetal.,2000)。除了主动和被动耐药机制外,一些参与调节细菌基础代谢的基因也会影响细菌对抗生素的敏感性(Mart侏nezRojo,2011)。在缺乏异柠檬酸盐脱氢酶或顺乌头酸酶B的大肠杆菌中,通过改变呼吸链相关代谢途径,使细菌对喹诺酮类抗生素产生耐受性(HellingKukora,1971;Grueretal.,1997)。此外,参与铜绿假单胞菌碳、氮源代谢的CbrA-CbrB双组份系统也影响其对抗菌剂的敏感性(Yeungetal.,2011)。

3展望

目前,自然生态系统中细菌的耐药性以及临床菌株耐药性传播的决定因素等相关研究仍处于初级阶段,前耐药基因在原始宿主中是否具有耐药功能仍不十分清楚。现在,能够支持耐药基因起源于环境微生物以及它可转移至病原菌,从而赋予病原菌耐药性的相关研究尚不全面。大部分耐药性起源以及演变的研究比较分散。研究者已经逐渐开始在实验室条件下模拟自然生态系统及人类病原菌耐药性的演变进程,追踪耐药基因在抗生素环境下的进化轨迹,但在实验技术上面仍临着巨大的挑战。此外,还有研究者建议分析致病性细菌的耐药岛,可进而阐述其耐药性的获得机制(卢新璞等,2012)。本文讨论耐药基因的起源与耐药性的演变,以期望为研究细菌耐药机理或者确定新的耐药机制、预测细菌耐药性的演变进程提供参考。

作者:王严宁唤唤梁鹰王波波李博沈立新单位:西北大学生命科学学院西部资源与现代生物技术省部共建教育部重点实验室

基因组学与应用生物学杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次