生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院歐竑宇研究組和瑞金醫(yī)院合作發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌毒力質(zhì)粒的非自主轉(zhuǎn)移
近日，生物學(xué)知名刊物《Genome?Medicine》發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院微生物代謝國家重點實驗室和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院的合作論文，報道了肺炎克雷伯菌非接合型毒力質(zhì)粒在接合質(zhì)粒輔助下的非自主轉(zhuǎn)移。瑞金醫(yī)院博士生徐燕萍和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生張劍峰為論文共同第一作者，瑞金醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科瞿介明教授、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院歐竑宇教授和瑞金醫(yī)院臨床微生物科孫景勇副主任技師為論文的共同通訊作者。
肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）是一種腸桿菌科條件致病菌，是我國臨床分離最常見的革蘭陰性耐藥菌之一。肺炎克雷伯菌通常被分為經(jīng)典肺炎克雷伯菌（cKP）和高毒力肺炎克雷伯菌（hvKP）兩種菌型。cKP常攜帶耐藥質(zhì)粒，如IncF接合質(zhì)粒編碼碳青霉烯酶KPC。hvKP常攜帶編碼粘液調(diào)節(jié)子和鐵載體等重要毒力因子的非接合型質(zhì)粒。近年來，出現(xiàn)了多重耐藥合并高毒力的肺炎克雷伯菌臨床株，對抗感染治療產(chǎn)生巨大的挑戰(zhàn)。這類高毒力高耐藥菌株可能通過兩種途徑演化而來：(i) 高毒株hvKP從cKP獲得了可自主轉(zhuǎn)移的耐藥質(zhì)粒；(ii) 耐藥株cKP從hvKP中獲得了可轉(zhuǎn)移的毒力質(zhì)粒。但目前缺乏毒力質(zhì)粒在cKP和hvKP間轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵的遺傳學(xué)實驗證據(jù)。近期有文獻報道，在cKP臨床菌株中發(fā)現(xiàn)了毒力質(zhì)粒與耐藥質(zhì)粒形成的雜合質(zhì)粒，可接合轉(zhuǎn)移；以及耐藥質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒共存于一株cKP中，毒力質(zhì)?？蓡为氜D(zhuǎn)移，或通過和接合型耐藥質(zhì)粒融合后共同轉(zhuǎn)移。然而，臨床上常見的hvKP分離株僅含一個pLVPK樣的毒力質(zhì)粒；這種典型的毒力質(zhì)粒缺少IV型分泌系統(tǒng)基因簇，為非接合型，它的轉(zhuǎn)移機制尚不清楚。
為解析肺炎克雷伯菌非接合型毒力質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移機制，來自生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院和瑞金醫(yī)院的多個團隊開展深入的合作研究。首先，構(gòu)建了hvKP低粘液表型突變株作為供體菌，以一系列CRKP臨床分離株為受體菌，在接合實驗中觀察到了pLVPK樣非接合型毒力質(zhì)粒從hvKP轉(zhuǎn)移到CRKP。其次，對接合子開展脈沖場凝膠電泳分析和全基因組測序，實驗結(jié)果表明，在IncF接合質(zhì)粒的輔助下，毒力質(zhì)粒的非自主轉(zhuǎn)移存在多種復(fù)雜的形式。本研究觀測到的轉(zhuǎn)移形式包括：（1）毒力質(zhì)粒單獨轉(zhuǎn)移，（2）毒力質(zhì)粒與IncF接合質(zhì)粒共同轉(zhuǎn)移，和（3）毒力質(zhì)粒和IncF接合質(zhì)粒形成雜合質(zhì)粒進而轉(zhuǎn)移。既往報道的含有耐藥基因和毒力基因的雜合質(zhì)粒被認為是通過同源重組或IS26介導(dǎo)等方式形成；而本研究發(fā)現(xiàn)了另一種雜合質(zhì)粒形成的方式，即在特定的28-bp位點發(fā)生兩次DNA單鏈切割和交換而形成融合。在GenBank收錄的2608個肺炎克雷伯菌質(zhì)?；蚪M中，99%毒力質(zhì)粒和32%接合質(zhì)粒含有該28-bp融合位點（rfsF）。最后，在大腸桿菌中模擬了毒力質(zhì)粒和IncF接合質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移互作。使用前期開發(fā)的生物信息學(xué)軟件工具oriTfinder來識別質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移的4個主要功能組件，包括接合轉(zhuǎn)移起始位點?(oriT) 、松弛酶、四型伴侶蛋白和四型分泌系統(tǒng)等。在毒力質(zhì)粒中識別到了一個新的oriT，其nic缺刻位點與IncF接合質(zhì)粒的相似。隨后構(gòu)建了含有毒力質(zhì)粒oriT的模擬毒力質(zhì)粒、缺失oriT的IncF質(zhì)粒、和缺失IV分泌系統(tǒng)的IncF質(zhì)粒，采用多組接合實驗進一步確定了毒力質(zhì)?？山柚鶬ncF接合質(zhì)粒形成的IV型分泌系統(tǒng)進行非自主轉(zhuǎn)移。此外，還發(fā)現(xiàn)了肺炎克雷伯菌胞外多糖的高表達會限制毒力質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移，大腸桿菌可作為中間媒介輔助毒力質(zhì)粒從hvKP間接進入CRKP。以上研究表明，肺炎克雷伯菌的耐藥質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒之間存在轉(zhuǎn)移互作，可能極大促進耐藥與毒力這兩種重要性狀在病原細菌中的共同播散。
圖 | 肺炎克雷伯菌毒力質(zhì)粒pRJF293HA從hvKP到CRKP和E. coli的非自主轉(zhuǎn)移
生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院歐竑宇研究組長期從事細菌耐藥移動元件的研究。以上合作論文是繼分析ST11肺炎克雷伯菌的碳青霉烯耐藥質(zhì)粒（Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2015, 70:2770-2774）、研發(fā)質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移功能組件的識別軟件oriTfinder（Nucleic Acids Research, 2018, 46:W229-W234）、合作確定第三代頭孢菌素耐藥質(zhì)粒在hvKP中的接合轉(zhuǎn)移（Virulence, 2018, 9: 838-844）、合作報道K2和ST374肺炎克雷伯菌的毒力質(zhì)粒（Virulence, 2018, 9:510-521）以及合作分析肺炎克雷伯菌毒力和耐藥雜合質(zhì)粒的遺傳多樣性（Virulence, 2021, 12:1323-1333）等系列研究成果后的又一重要進展。
論文鏈接：https://genomemedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13073-021-00936-5
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