解析 mcr 携带质粒基因组多样性及 IncI2 质粒中 IV 型分泌系统的关键作用

为探究 mcr 携带质粒（pMCRs）传播机制，研究人员分析其基因组多样性，发现 IncI2 等质粒特征及 T4SS 关键作用，为防控耐药质粒传播提供依据。

　　在现代医学的抗菌战场上，耐药菌正逐渐成为令医生们头疼不已的 “超级敌人”。其中，革兰氏阴性菌的耐药问题尤为严峻，多药耐药（MDR）的革兰氏阴性菌对多种抗生素产生抗性，使得传统治疗手段纷纷 “折戟”。粘菌素（colistin）作为对抗 MDR 肠杆菌科感染的 “最后一道防线”，本应发挥关键作用，然而质粒携带的 mcr 基因却让粘菌素的疗效大打折扣。mcr 基因编码的磷酸乙醇胺转移酶，能降低脂质 A 与多粘菌素的亲和力，使得携带 mcr 基因的质粒（pMCRs）迅速传播，在全球 50 多个国家都发现了 mcr 基因的身影，且常与其他耐药基因共同转移，这无疑给公共卫生带来了巨大挑战。因此，深入了解 pMCRs 的传播规律和机制，成为了当下亟待解决的关键问题。

为了攻克这一难题，中国疾病预防控制中心传染病预防控制国家重点实验室的 Zhe Li、Zhenpeng Li 等研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们揭示了 pMCRs 的神秘面纱，为控制耐药质粒的传播带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是从 NCBI 数据库收集 pMCRs 的完整基因组序列，并结合实验室已有的数据进行分析；二是利用 PlasmidFinder 和 oriTfinder 软件对 Inc 质粒类型和 T4SS 亚型进行鉴定；三是通过同源分析、泛基因组和核心基因组分析等方法，研究 T4SS 基因簇的特征和 pMCRs 的基因组特点；四是构建小鼠肠道结合模型和进行体外结合实验，探究 pMCRs 的转移效率及相关蛋白的作用。

下面来看看具体的研究结果：

1. pMCRs 的宿主偏好与 T4SS 携带率：研究人员分析了 868 个 pMCRs 的基因组，发现其宿主主要为肠杆菌科细菌，其中大肠杆菌（E. coli）、肠炎沙门氏菌（S. enteritidis）和肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）是主要宿主。pMCRs 在不同宿主物种中的储存和携带存在差异，肠杆菌科尤其是大肠杆菌是最适宜的宿主。同时，89.9% 的 pMCRs 携带 T4SS 基因簇，且 T4SS 携带率与 mcr 基因型的比例呈正相关，这表明 T4SS 可能有助于 mcr-1、mcr-9 和 mcr-3 的传播。
2. T4SS_P3的基因特征：在携带 T4SS 的 pMCRs 中，T4SS_P3具有高度保守的核心基因同源性和基因簇组织。其编码基因有三种组成模式，根据基因序列相似性可分为三个组，其中 T4SS_P3是典型的 VirB/D4 型，由 12 个亚基组成。虽然 T4SS_P3存在多种亚型，但基因排列模式、Inc 类型和基因簇高度保守，其序列多样性主要体现在 VirB5_P3和 VirB6_P3上，且这两种蛋白的序列类型存在共进化关系。
3. pMCRs 的自我转移依赖于 VirB2 和 VirB5_P3：通过接合实验，研究人员发现携带 T4SS_P3的 pMCRs 的自我转移依赖于 T4SS。缺失 VirB2 会导致质粒转移和细菌接合完全丧失，而缺失 VirB5_P3则会显著降低转移效率。在不同的受体物种中，接合对 VirB5_P3的依赖程度有所不同。
4. T4SS 基因簇在体内转移中的作用：利用小鼠肠道结合模型，研究人员发现 T4SS 基因簇在 pMCRs 向大肠杆菌宿主的体内转移中起着至关重要的作用。野生型质粒的转移效率较高，而缺失 VirB5 的质粒转移效率显著降低，缺失 T4SS 基因簇和 VirB2 的质粒则无法转移。但在肺炎克雷伯菌和肠炎沙门氏菌的结合实验中，未获得接合子，具体原因还有待进一步研究。
5. VirB5_P3的结构预测：VirB5_P3是形成接合菌毛的关键蛋白，位于菌毛顶端。其 C 末端存在高变区，N 末端有信号肽。预测的 VirB5_P3三维结构显示，它由三螺旋束和松散的球状区域组成，是一个五聚体。在五聚体结构中，其 N 末端区域突出，可能与受体细胞膜相互作用。

研究结论和讨论部分指出，耐药质粒的传播是细菌耐药性迅速扩散的主要原因，抑制质粒转移是控制耐药性的关键策略。该研究基于完整的质粒基因组，清晰地展示了 IncHI2 型质粒的活跃基因组整合能力，其融合多种质粒类型，携带大量耐药基因，更容易传播耐药性。而 IncI2 质粒基因组相对保守，是 mcr-1 传播的最佳载体。此外，T4SS_P3在 pMCRs 向肠杆菌科细菌的转移中不可或缺，VirB5_P3对 IncI2 质粒向大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的转移效率有显著影响。同时，VirB5_P3的保守 N 末端结构为开发抑制 IncI2 型质粒转移的小分子抑制剂提供了潜在靶点。

总的来说，这项研究通过对 pMCRs 基因组多样性和 T4SS 在 IncI2 质粒接合中作用的深入探究，为我们理解 pMCRs 的流行模式提供了更深入的视角，也为有效预防和控制多粘菌素耐药性提供了新的思路和潜在靶点，在抗菌药物耐药性研究领域具有重要的意义。