In silico 基因组学洞察：感染产超广谱 β- 内酰胺酶大肠杆菌的噬菌体 —— 来自人、动物和环境源的研究

为解决抗菌药物耐药（AMR）问题，研究人员开展了对产超广谱 β- 内酰胺酶大肠杆菌（ESBL-EC）中前噬菌体的研究。结果发现 ESBL-EC 中存在多种前噬菌体及相关抗性基因，该研究对了解 AMR 传播机制有重要意义。

　　在当今全球健康领域，抗菌药物耐药（AMR）问题愈发严峻，就像一场没有硝烟的战争，严重威胁着人类、动物和环境的健康。其中，产超广谱 β- 内酰胺酶（ESBL）的大肠杆菌（ESBL-EC）更是成为了一个棘手的难题。它能水解 3、4 代头孢菌素，使得革兰氏阴性菌感染的治疗选择极为有限，给全球公共卫生带来了巨大挑战。而且，ESBL-EC 在人类、动物和环境中广泛传播，传统上与医疗环境相关，近年来社区获得性感染也不断增加，尤其是在像尼日利亚这样牛养殖和牛肉消费重要的国家，其沿着食物链传播的潜在风险令人担忧。

在这样的背景下，噬菌体（bacteriophages，phages）作为细菌的 “天敌”，在细菌进化、多样性和适应过程中发挥着关键作用。前噬菌体（prophages，即整合到细菌染色体中的噬菌体基因组）更是与水平基因转移密切相关，可能在耐药基因和毒力因子的传播中扮演重要角色。然而，目前对于前噬菌体在 ESBL-EC 的遗传多样性、致病性和耐药机制方面的作用研究还十分有限。

为了深入了解这一复杂的现象，来自美国费耶特维尔州立大学（Department of Biological and Forensic Sciences, Fayetteville State University）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《BMC Microbiology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，在 2020 年 5 月至 12 月期间，他们从尼日利亚阿布贾和拉各斯的两个大型屠宰场收集了 448 份样本，包括屠宰场工人的粪便、屠宰牛的盲肠内容物以及屠宰场环境样本。接着，对这些样本进行 ESBL-EC 的分离和鉴定，运用全基因组测序技术对分离出的 ESBL-EC 进行测序。之后，借助 PHASTER 和 PhaBox 等工具进行噬菌体区域和基因内容分析，还使用了多种数据库和 BLAST 搜索来检测相关基因，利用 PlasmidFinder 和 MOBsuite 等工具检测噬菌体 - 质粒元件，通过 MAFFT、Gblocks、RAxML 等进行噬菌体的系统发育分析，并运用 R 统计软件进行数据分析。

研究结果如下：

1. 样本及噬菌体分布：在 448 份样本中，共获得 97 株 ESBL-EC 并进行了全基因组测序。通过计算机噬菌体分析，检测到 646 个前噬菌体区域，其中 194 个（30%）为完整噬菌体。完整噬菌体在屠宰场工人样本中的流行率为 43.8%，牛样本中为 43.3%，环境样本中为 12.9%，不同来源样本的完整噬菌体分布存在显著差异。同时，发现人类样本的总噬菌体数量范围最广，环境样本的噬菌体数量最少。
2. 噬菌体特征：在鉴定出的噬菌体中，Caudoviricetes 纲和 Peduoviridae 科最为普遍。在有属分类的 158 个噬菌体中，Punavirus 属占比最多（60.1%）。噬菌体的生活方式以温和型为主（182/194），主要存在于 Peduoviridae 科；裂解型较少（12/194），主要存在于 Caudoviricetes 纲的 Punavirus 属。此外，还检测到多种噬菌体相关的标志性基因，如尾（tail）、末端酶 C（terminase C）、整合酶（integrase）等。
3. 噬菌体宿主预测：大多数噬菌体（n>300）的宿主预测置信度得分达到 1.0，表明预测准确性较高。预测的噬菌体宿主属中，大肠杆菌（Escherichia）占主导地位，主要与人类和牛相关。其他常见的宿主属包括沙门氏菌属（Salmonella）、Dickeya 和柠檬酸杆菌属（Citrobacter）等。
4. 噬菌体相关抗性及质粒：在 97 株 ESBL-EC 分离株中，81 株（81/97）含有完整噬菌体的菌株携带噬菌体相关的抗生素抗性基因（ARGs），74 株（74/97）携带噬菌体相关的 ESBL 基因，18 株（18/97）携带噬菌体相关的毒力因子，10 株（10/97）含有噬菌体相关的重金属抗性，15 株（15/97）携带噬菌体相关的质粒。不同来源的噬菌体，其携带的各类抗性基因和质粒情况有所不同。例如，牛肉牛来源的噬菌体中 ARGs 和 ESBL 基因频率较高，屠宰场工人来源的噬菌体中毒力基因和重金属抗性频率较高。还发现了两种噬菌体样质粒，分别携带 tet (A) 或 bla_CTX-M-55基因。
5. 噬菌体相关蛋白及基因关联：在人和牛的 ESBL-EC 分离株噬菌体中鉴定出尾刺蛋白，这可能是噬菌体介导水平基因转移的途径。通过多项逻辑回归模型分析发现，样本来自人类来源与牛肉牛来源存在显著差异，但所检测的噬菌体相关基因并不是样本来源类别的显著预测因子。

研究结论和讨论部分表明，该研究首次在尼日利亚从 “同一健康”（One Health）角度对 ESBL-EC 分离株中的噬菌体进行了表征。完整噬菌体在人、动物和环境中的存在，凸显了塑造噬菌体生态的复杂相互作用。前噬菌体中 ARGs、毒力基因和重金属抗性的发现，暗示了其在 AMR 传播中的潜在作用。然而，研究也存在一定局限性，如样本来源不均衡和潜在的选择偏倚等。未来研究应采用更具代表性和纵向的采样，从 “同一健康” 角度深入理解噬菌体 - 宿主相互作用，探究噬菌体介导基因转移的生态和进化影响。这项研究为进一步了解噬菌体在微生物生态系统中的作用提供了重要依据，对控制耐药菌传播和保障公共健康具有重要意义。