細(xì)菌耐藥性的起源與演變范文

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《基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)雜志》2015年第四期

1細(xì)菌耐藥性的演變(evolutionofantibioticresistance)

細(xì)菌獲得的耐藥性相關(guān)遺傳因素賦予了其耐藥性。根據(jù)相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌耐藥性的演變過(guò)程大概經(jīng)歷了三個(gè)階段：抗生素使用之前，耐藥性從無(wú)到有的功能變異(exaptation)過(guò)程；抗生素引入臨床治療促進(jìn)了耐藥性細(xì)菌的出現(xiàn)；抗生素的廣泛使用甚至濫用，導(dǎo)致多重耐藥細(xì)菌和超級(jí)細(xì)菌不斷出現(xiàn)。在人類使用抗生素之前，產(chǎn)抗生素細(xì)菌的前耐藥基因(pre-resistencegenes)就已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年。該類基因僅能夠?qū)ψ陨硭a(chǎn)抗生素具有解毒功能(detoxification)，而并不能對(duì)其它細(xì)菌所產(chǎn)的抗生素起解毒作用。當(dāng)一些在原始微生物中發(fā)揮不同功能的基因轉(zhuǎn)移到新的細(xì)菌宿主中時(shí)，能賦予包括人類病原菌在內(nèi)的新宿主的耐藥性(Baqueroetal.,2009)。研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲(chóng)腸道微生物的外排泵沒(méi)有外排抗生素的能力，但當(dāng)它轉(zhuǎn)移至大腸桿菌時(shí)卻可以外排抗生素，從而賦予了細(xì)菌耐藥性(Kadavyetal.,2000;Allenetal.,2009)。一些原始細(xì)菌中的前耐藥基因并不發(fā)揮耐藥功能是由于其表達(dá)水平很低；但當(dāng)這些基因轉(zhuǎn)移到新宿主中時(shí)，可能會(huì)整合在高拷貝的質(zhì)粒中或者強(qiáng)啟動(dòng)子引發(fā)了它的高表達(dá)，因此表現(xiàn)出了耐藥性(Martinezetal.,1987;Martinezetal.,1989;DantSommer,2012)。類似于這種在原始宿主中并不表現(xiàn)出耐藥功能的基因，但當(dāng)其轉(zhuǎn)移到人類病原菌等細(xì)菌中就可能成為耐藥相關(guān)基因，在這個(gè)過(guò)程中基因本身并沒(méi)有發(fā)生遺傳上的改變，僅僅是其所處的宿主環(huán)境發(fā)生了變化，將耐藥基因的這種演變方式稱為功能變異(exaptation)(uldVrba,1982)。

抗生素的廣泛使用明顯促進(jìn)了耐藥突變體的出現(xiàn)。在無(wú)抗生素或低濃度抗生素條件下，敏感性菌株繁殖占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致耐藥性細(xì)菌在生存競(jìng)爭(zhēng)中很難被選擇下來(lái)；而當(dāng)抗生素選擇壓力逐漸增大時(shí)，敏感性細(xì)菌的生長(zhǎng)不斷受到抑制甚至被殺死，大大減小了耐藥性細(xì)菌的生存壓力(WaksmanWoodruff,1940;Mart侏nez,2008)。汪復(fù)研究了金黃色葡萄球菌的臨床分離株，發(fā)現(xiàn)其對(duì)紅霉素的耐藥率逐年上升(1972年為16.7%;1973年為47%;1977年為50%)；雖然所分離的大多數(shù)菌株對(duì)慶大霉比較敏感，但其對(duì)慶大霉素的耐藥率也呈上升趨勢(shì)(汪復(fù),1983,江蘇醫(yī)藥,11:46-48)。妹等(1989)發(fā)現(xiàn)臨床分離的金黃色葡萄球菌除了對(duì)青霉素G等常用的抗生素具有較高的耐藥水平外，部分菌株還對(duì)頭孢呋新、頭孢噻肟和丁胺卡那霉素等較新的抗生素也出現(xiàn)了耐藥的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，即使是亞抑制濃度的抗生素壓力，也能夠增加細(xì)菌DNA的突變頻率和基因水平轉(zhuǎn)移速率，促進(jìn)了耐藥性突變體的出現(xiàn)和耐藥性的傳播(Beaberetal.,2004;Guerinetal.,2009;L佼pezBl佗zquez,2009;Kohanskietal.,2010;GillingsStokes,2012)。隨著抗生素大量使用及濫用，許多人類致病菌已經(jīng)演變成多重耐藥細(xì)菌。自20世紀(jì)70年代茁-內(nèi)酰胺類抗生素引入治療臨床感染后，銅綠假單胞菌、大腸桿菌、沙門(mén)氏菌等一些革蘭氏陰性致病的茁-內(nèi)酰胺酶種類明顯增加，目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有1000多種茁-內(nèi)酰胺酶(來(lái)自新型基因和它們的突變體)(Ja-coby,2009;BushJacoby,2010;Poireletal.,2010)。

基因水平轉(zhuǎn)移作用在細(xì)菌對(duì)茁-內(nèi)酰胺類抗生素的耐藥性傳播過(guò)程中起重要作用(DaviesDavies,2010)。近年來(lái)，鮑曼不動(dòng)桿菌的耐藥性發(fā)生了快速的演變，從2002~2011年，所檢測(cè)的菌株對(duì)氨芐西林、頭孢西丁、頭孢唑林等多種抗生素的耐藥率十年來(lái)均持續(xù)表現(xiàn)為100%，而對(duì)氨芐西林舒巴坦、阿莫西林克拉維酸、氨曲南、亞胺培南等多種抗生素的耐藥率從0.00%增長(zhǎng)到高于50%(劉德華等,2015)，這表明鮑曼不動(dòng)桿菌在抗生素壓力下耐藥性發(fā)生了快速的演變。此外，食物鏈的富集作用等人類活動(dòng)也促進(jìn)了細(xì)菌耐藥性的傳播與演變。2012年Jaing等人研究中國(guó)農(nóng)場(chǎng)使用抗生素養(yǎng)殖過(guò)的魚(yú)，在其腸道中分離出了含耐藥基因(qnrB,qnrS,blaCTX-M-14,blaCTX-M-79)的大腸桿菌，隨后在人體內(nèi)的大腸桿菌、克雷伯氏細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了該類耐藥基因(Jiangetal.,2012)。這都說(shuō)明抗生素的廣泛使用促進(jìn)了細(xì)菌耐藥性的演變和傳播。

2細(xì)菌的耐藥機(jī)制(mechanismsofantibioticresistance)

那些最初并非發(fā)揮耐藥功能的基因，在包括人類病原菌在內(nèi)的細(xì)菌中經(jīng)歷了復(fù)雜的演變過(guò)程。隨著抗生素使用頻率的持續(xù)增加，引發(fā)了細(xì)菌的耐藥性問(wèn)題并且該現(xiàn)象不斷加劇。細(xì)菌的耐藥機(jī)制成為了研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。通常情況下，對(duì)其耐藥機(jī)制的研究主要從抗生素鈍化酶、藥物作用靶點(diǎn)、多藥外排系統(tǒng)、膜的滲透性等方面著手。本文基于細(xì)菌耐藥性的起源與演變進(jìn)程，根據(jù)細(xì)菌自身是否降低了抗生素的有效濃度/數(shù)量，對(duì)其耐藥機(jī)制進(jìn)行討論。當(dāng)細(xì)菌感受到抗生素壓力時(shí)，可以通過(guò)抗生素水解/鈍化酶或多藥外排泵降低抗生素的有效活性，提高細(xì)菌在抗生素環(huán)境下的生存能力。目前，研究者已經(jīng)闡明病原菌中有數(shù)千種降解或修飾抗生素的酶。銅綠假單胞菌、鮑曼不動(dòng)桿菌等攜帶編碼碳青霉烯酶的質(zhì)粒，介導(dǎo)細(xì)菌對(duì)該類抗生素的耐藥性(Tzou-velekisetal.,2012)；大腸桿菌編碼的CTX-M14和CTX-M15賦予其對(duì)頭孢菌素的耐受性(Poireletal.,2012;ZhaoHu,2013)。研究人員發(fā)現(xiàn)，大分子的氨基糖苷類抗生素對(duì)酶的修飾作用敏感性較高，細(xì)菌編碼的乙酰轉(zhuǎn)移酶、磷酸轉(zhuǎn)移酶以及核苷酸轉(zhuǎn)移酶可以對(duì)其進(jìn)行修飾，使自身產(chǎn)生耐藥性(NorrisSerpersu,2013)。類似地，一些外排泵也可降低抗生素的有效活性。絕大多數(shù)微生物編碼的多藥外排泵具有廣泛的底物特異性，可以外排多種抗生素，阻止抗菌劑與其作用靶點(diǎn)的結(jié)合，從而使細(xì)菌產(chǎn)生了耐藥性。銅綠假單胞菌中MexAB-OprM外排泵對(duì)茁-內(nèi)酰胺類、喹喏酮類、磺胺類等多種抗生素具有外排功能，該外排泵在其內(nèi)在耐藥性方面起重要作用(Pid-dock,2006)；大腸桿菌中的AcrAB外排泵也具有類似的功能(Baucheronetal.,2014)。像抗生素修飾/鈍化酶、多藥外排泵這種能夠有效降低抗生素濃度/數(shù)量的耐藥機(jī)制被稱為主動(dòng)耐藥機(jī)制(activemecha-nismsofresistance)(Mart侏nezBaquero,2014)，一般情況下這類耐藥元件可以通過(guò)無(wú)性繁殖或基因水平轉(zhuǎn)移獲得。在抗生素壓力下，細(xì)菌可通過(guò)改變與抗生素相互作用的靶點(diǎn)或降低能夠接觸的靶點(diǎn)抗生素有效濃度，提高細(xì)菌在抗生素環(huán)境下的適應(yīng)性。通過(guò)分析臨床病原菌的耐藥原因，發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)編碼基因的單位點(diǎn)發(fā)生突變，則可能產(chǎn)生耐藥性。利奈唑胺的作用靶點(diǎn)是革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌核糖體23S亞基，它通過(guò)抑制mRNA與核糖體的結(jié)合，從而阻止細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成抑制它的繁殖。若利奈唑胺作用靶點(diǎn)的編碼基因發(fā)生突變，則細(xì)菌可對(duì)該抗生素的產(chǎn)生抗藥性。在臨床利奈唑胺存在的條件下，肺炎鏈球菌和金黃色葡萄球菌因23SrRNA基因突變引起耐藥性的突變株將會(huì)被選擇下來(lái)(Leclercq,2002;Gaoetal.,2010;Billaletal.,2011)。類似地，金黃色葡萄球菌mprF(編碼耐藥因子)位點(diǎn)的突變，導(dǎo)致膜和磷脂成分發(fā)生改變，降低了達(dá)托霉素破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的能力，從而使其對(duì)該抗生素產(chǎn)生了耐藥性(Mishraetal.,2013)。類似地不改變抗生素活性可產(chǎn)生耐藥性的耐藥機(jī)制還有降低能夠接觸靶點(diǎn)的游離抗生素有效濃度。孔蛋白表達(dá)的降低或多選擇通道(porinswithmore-selectivechannels)代替低滲透性孔蛋白，可降低能夠接觸靶點(diǎn)的游離抗生素有效濃度。一些缺乏碳青霉烯酶表達(dá)的腸桿菌科臨床菌株也可對(duì)碳青霉烯類抗生素產(chǎn)生耐受性，這是由于孔蛋白編碼基因或等位基因突變導(dǎo)致其表達(dá)降低，減少了靶點(diǎn)處游離抗生素的有效濃度(Wozniaketal.,2012;Baroudetal.,2013;Blairetal.,2015)，從而使其對(duì)該類抗菌藥物產(chǎn)生了耐受性。類似于抗生素作用靶點(diǎn)的改變，若編碼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或抗生素前體激活蛋白的基因發(fā)生突變，也能降低接觸靶點(diǎn)的游離抗生素有效濃度。像這種不改變抗生素活性，只是通過(guò)改變抗生素作用靶點(diǎn)或降低能夠接觸靶點(diǎn)的游離抗生素有效濃度(即膜滲透性降低)的耐藥機(jī)制被稱為被動(dòng)耐藥機(jī)制(psivemechanismsofresis-tance)(Mart侏nezBaquero,2014)。這種耐藥性可通過(guò)無(wú)性繁殖進(jìn)行傳播。多數(shù)情況下，突變的耐藥基因不能通過(guò)基因水平轉(zhuǎn)移進(jìn)行傳播，然而，肺炎雙球菌中突變的拓?fù)洚悩?gòu)酶的基因卻可以通過(guò)這種作用進(jìn)行傳播(Ferr佗ndizetal.,2000)。除了主動(dòng)和被動(dòng)耐藥機(jī)制外，一些參與調(diào)節(jié)細(xì)菌基礎(chǔ)代謝的基因也會(huì)影響細(xì)菌對(duì)抗生素的敏感性(Mart侏nezRojo,2011)。在缺乏異檸檬酸鹽脫氫酶或順烏頭酸酶B的大腸桿菌中，通過(guò)改變呼吸鏈相關(guān)代謝途徑，使細(xì)菌對(duì)喹諾酮類抗生素產(chǎn)生耐受性(HellingKukora,1971;Grueretal.,1997)。此外，參與銅綠假單胞菌碳、氮源代謝的CbrA-CbrB雙組份系統(tǒng)也影響其對(duì)抗菌劑的敏感性(Yeungetal.,2011)。

3展望

目前，自然生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌的耐藥性以及臨床菌株耐藥性傳播的決定因素等相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段，前耐藥基因在原始宿主中是否具有耐藥功能仍不十分清楚。現(xiàn)在，能夠支持耐藥基因起源于環(huán)境微生物以及它可轉(zhuǎn)移至病原菌，從而賦予病原菌耐藥性的相關(guān)研究尚不全面。大部分耐藥性起源以及演變的研究比較分散。研究者已經(jīng)逐漸開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬自然生態(tài)系統(tǒng)及人類病原菌耐藥性的演變進(jìn)程，追蹤耐藥基因在抗生素環(huán)境下的進(jìn)化軌跡，但在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上面仍臨著巨大的挑戰(zhàn)。此外，還有研究者建議分析致病性細(xì)菌的耐藥島，可進(jìn)而闡述其耐藥性的獲得機(jī)制(盧新璞等,2012)。本文討論耐藥基因的起源與耐藥性的演變，以期望為研究細(xì)菌耐藥機(jī)理或者確定新的耐藥機(jī)制、預(yù)測(cè)細(xì)菌耐藥性的演變進(jìn)程提供參考。

作者：王嚴(yán)寧喚喚梁鷹王波波李博沈立新單位：西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室