四环素耐药基因的遗传特征新发现

新的四环素耐药基因特征的发现引发了关于耐药性、基因转移及其与人类健康相关性的新问题。

　　

抗生素耐药性是世界范围内一个日益严重的医学问题。寻找新型抗生素一直是研究界努力的方向，而深入了解耐药性遗传机制也是努力的另一个方向。

四环素是治疗细菌感染的广谱抗生素。来自美国海洋研究所的研究人员从溃疡性结肠炎患者炎症期间回肠袋采集到微生物进行宏基因组鸟枪法测序和菌落培养，追踪了一个来自脆弱拟杆菌的、携带四环素耐药基因tetQ的55-kbp接合型转座子CTn214的丰度变化。宏基因组分析表明在收集的样本中存在多拷贝的包含四环素抗性tetQ的特定17044碱基序列。在炎症期间从同一患者中分离的脆弱B.菌株有的携带有整合到染色体中的CTn214，也有的包含游离于染色体外的包含tetQ的CTn214环状多拷贝区域和整合到染色体的线性形式。CTn214依赖四环素的传播机制与脆弱贝氏杆菌基因组中常见的共轭转座子(CTnDOT)几乎相同，但CTn214编码tetQ的环形17044 -nt区域的自主扩增性质以及同一细胞内线性染色体中具有相同序列的整合是一个新的观察结果。对不同浓度四环素和环丙沙星下生长的脆弱芽孢杆菌的基因组和转录组测序表明，无论处理何种处理，含有环状tetQ的菌株中tetQ都保持活跃表达，而只含有线性tetQ的菌株中tetQ表达只有在四环素存在时才增加。虽然这些发现不会直接导致对抗四环素耐药细菌的新方法，但可能有助于开发新的方法，通过基因操作或其他手段来限制抗生素抗性基因的传播。文章发表在新一期的《mBio》上。

研究细节

研究人员使用鸟枪宏基因组学进行研究产生了整个微生物细胞群落中所有遗传物质的序列。测序结果提供了在四环素存在下生长时观察四环素耐药基因活性所需的数据。MBL作者之一的Vineis说，在他们开始这项工作的时候，“能够从宏基因组数据中重建基因组在这个领域刚刚起步。这是一种新颖的方法，现在已很常见。当我们查看数据时，有一个非常强烈的信号”显示出细菌基因组特定区域的大量拷贝。其中一个包含许多基因的区域在样本中“非常丰富”，后来他们能够确定“这个特殊的高拷贝区域含有四环素抗性……所以我们继续挖掘。”

这些基因组的高拷贝部分包含的DNA片段可以在基因组中移动，甚至可以跳到不同的基因组中。Vineis说，这些可移动的遗传元素被称为转座子，是“细菌发展适应环境的重要途径，而不必完全改造它们自己”。在人类的肠道中，大量种类的肠道细菌经常接近，“交换的可能性非常高，”他说，当出现炎症时，交换率会增加。这种不同物种间遗传物质的交换被称为水平转移。这些转座子实际上是水平基因转移的关键载体。当细菌明显地感觉到环境中有四环素，即开始“整体级联”生产含有抗性基因的转座子。

他们发现，包含抗性基因的转座子部分在同一基因组中以两种不同的形式出现：有时是正常的线性整合形式，有时是游离的环状质粒样。这两种形式同时出现在脆弱拟杆菌的基因组中，但线性形式在DNA区域包含一个独特的插入序列，该区域编码转移到其他细胞的机制。“据我们所知，这是以前从未见过的，这种特殊类型的转座子有一个扩增的子区。它发生在炎症期间的细菌中，”MBL的助理科学家Blair Paul说:“我们认为这些转座子实际上是水平基因转移的关键载体。”

这组基因表达的增加可能与脆弱拟杆菌在炎症期间的成功有关，尽管这种联系尚未得到证实，需要进一步研究。但是Paul说，这些发现“提出了关于基因转移在人类健康中的作用的新问题，也提出了关于这些转座子是如何被控制的以及它们是如何随着时间的推移而进化变化的新问题。”Vineis说:“这一发现不会改变我们对抗生素耐药性的认识，但它是一种新的机制，至少我们可以开始寻找。在微生物世界里发生了很多我们甚至没有完全意识到的进攻和防御。”

研究重要性
微生物之间交换抗生素生产和耐药基因可导致新病原体的出现。在这项研究中，从溃疡性结肠炎患者的非法袋中提取的宏基因组样本的短读定位到脆弱拟杆菌的宏基因组组装基因组，揭示了编码四环素耐药性的新型共轭转座子CTn214的两种不同的基因组排列。CTn214中含有tetQ的质粒样环状结构的自主扩增可能提供针对四环素的一致核糖体保护。这种抗生素耐药模式为理解脆弱芽孢杆菌等病原体的出现及其在炎症性肠病患者中持续较长时间提供了一种新的机制。