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微生物所揭示喹諾酮抗性蛋白介導的細菌耐藥機制

2019-04-04     來源:中國科學院

  細菌抗生素耐藥性是預防傳染病的重大威脅,通常是由質粒轉移或基因突變引起的。當細菌暴露于抗生素環境中會通過提高細菌的突變率篩選出適應抗生素環境的基因突變,結果導致臨床環境中耐藥菌株的出現。質粒驅動抗生素抗性基因的水平轉移,引發細菌耐藥性的產生。此外,質粒和細菌染色體之間的相互作用會影響抗生素抗性的傳播,了解這些過程背后的機制將提供細菌如何適應抗生素環境的見解,并有助于優化抗菌策略。

  喹諾酮類抗生素是完全人工合成的抗菌藥物,由于其廣譜高效的殺菌活性,成為臨床上治療細菌性感染的重要藥物。長期以來,人們認為對喹諾酮類藥物的抗性是由其靶基因(編碼DNA促旋酶和DNA拓撲異構酶IV)的突變和/或細胞壁透性的變化引起的,而天然界不存在喹諾酮抗性基因。自1988年首次發現喹諾酮抗性蛋白(Quinolone resistant protein, Qnr)導致喹諾酮耐藥性并促進抗性突變體的選擇,目前已經發現上百種Qnr蛋白。但是質粒攜帶的喹諾酮抗性蛋白促進細菌產生喹諾酮抗性的機制尚不清楚。中國科學院微生物研究所米凱霞課題組研究人員通過LuriaDelbruck波動分析證明QnrB增加了大腸桿菌BW25113菌株和肺炎克雷伯菌KP48臨床菌株中的突變率。此外,轉錄組學和全基因組測序分析顯示QnrB在大腸桿菌和肺炎克雷伯菌中會提高復制起點(oriC)附近的基因豐度。同時,Marker frequency analysis分析顯示大腸桿菌和肺炎克雷伯菌中復制起點與末端(oriC/ter)比率的增加,表明QnrB可以誘導DNA復制應激。細菌雙雜交和體外pull-down實驗顯示QnrBDNA復制起始因子DnaA相互作用。此外,微量熱泳動(MST)和oriC解旋測定顯示QnrB增加DnaA對單鏈oriC的親和力,并促進DnaA-oriC開放復合物的形成,產生DNA復制應激,導致突變產生,包括喹諾酮抗性的突變。總之,研究結果表明,QnrB通過增加DNA突變率和提高抗生素暴露能力來產生細菌群體的異質性。研究結果以The plasmid-borne quinolone resistance protein QnrB, a novel DnaA-binding protein, increases the bacterial mutation rate by triggering DNA replication stress 為題發表在期刊Molecular Microbiology(doi:10.1111/mmi.14235)。課題組助理研究員李曉靜、碩士研究生張玉嬌和助理研究員周心童為文章共同第一作者,課題組助理研究員胡新玲和John Innes Centre生物化學系教授Anthony Maxwell為共同作者,米凱霞為通訊作者。此項研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金BBSRC研究所戰略計劃項目資助。

  該文章發表后,被列為世界學術組織“F1000Prime”推薦的Interesting Hypothesis論文,推薦人為丹麥哥本哈根大學生物學教授Anders L0bner-Olesen

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圖:QnrB通過提高復制起點附近的基因豐度產生DNA復制應激導致突變率提高 

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文章關鍵字: 抗性  微生物  細菌

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