鄧子新團(tuán)隊(duì)在病原細(xì)菌耐藥質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移研究中獲進(jìn)展
近日，分子生物學(xué)知名刊物《Nucleic Acids Research》和病原微生物專業(yè)刊物《Virulence》先后發(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧子新團(tuán)隊(duì)歐竑宇研究組關(guān)于病原細(xì)菌耐藥質(zhì)粒播散的生物信息學(xué)分析工具和實(shí)驗(yàn)研究的兩篇論文，進(jìn)一步闡明以肺炎克雷伯菌為代表的ESKAPE耐藥菌中耐藥基因水平轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制?！皁riTfinder: a web-based tool for the identification of origin of transfers in DNA sequences of bacterial mobile genetic elements”發(fā)表在《Nucleic Acids Research》上，李小彬?yàn)榈谝蛔髡?，歐竑宇為通訊作者?！癊mergence of the third-generation cephalosporin-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae due to the acquisition of a self-transferable blaDHA-1-carrying plasmid by an ST23 strain”發(fā)表在《Virulence》上，謝英洲、田李均和李剛為共同第一作者，歐竑宇和上海交大醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院重癥學(xué)科劉嘉琳為共同通訊作者。
? ? ? ?由于抗菌藥物的不合理使用，病原細(xì)菌的耐藥性日趨加劇。接合性質(zhì)粒和整合性接合元件 (Integrative and conjugative element, ICE)具有接合轉(zhuǎn)移位點(diǎn)oriT、松弛酶 (relaxase)、IV型伴侶蛋白 (type IV coupling proteins, T4CP) 和IV型分泌系統(tǒng) (type IV secretion system, T4SS) 等四個(gè)轉(zhuǎn)移功能模塊，展現(xiàn)出滾環(huán)復(fù)制和接合轉(zhuǎn)移等典型的單鏈DNA自行轉(zhuǎn)移特性。獲得性耐藥基因常借助質(zhì)粒和ICE等可移動(dòng)遺傳元件，通過接合轉(zhuǎn)移等方式在細(xì)菌間水平轉(zhuǎn)移。
? ? ? ?為深度解讀病原細(xì)菌的海量可移動(dòng)基因組數(shù)據(jù)，歐竑宇研究組開發(fā)了生物信息學(xué)軟件oriTfinder，用于快速識(shí)別質(zhì)粒和ICE序列中的oriT、松弛酶、T4CP和T4SS等接合轉(zhuǎn)移功能模塊（圖1）。首先，通過文本實(shí)體識(shí)別和語(yǔ)義提取，廣泛地收集了散布于文獻(xiàn)和公共數(shù)據(jù)庫(kù)的異質(zhì)數(shù)據(jù)，梳理了1千多個(gè)接合轉(zhuǎn)移起始位點(diǎn)oriT的信息，定義和審編了nic位點(diǎn)附近保守序列，構(gòu)建了可靠的訓(xùn)練集。其次，提出基于nic位點(diǎn)保守序列查找和鄰近松弛酶基因共定位的新策略來(lái)識(shí)別質(zhì)?；騃CE中的接合轉(zhuǎn)移起始位點(diǎn)oriT；并基于oriT、松弛酶、T4CP和T4SS等4個(gè)功能區(qū)的不同預(yù)測(cè)結(jié)果，歸類為接合轉(zhuǎn)移、非自主轉(zhuǎn)移和不可轉(zhuǎn)移的質(zhì)?；騃CE。oriTfinder在線工具的輸入界面可支持細(xì)菌全基因組序列或未注釋的contigs；輸出界面可將oriT和T4SS等復(fù)雜的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。此外，oriTfinder還提供了Linux本地版，可用于細(xì)菌基因組序列的批量分析。
? ? ? ?近年來(lái)，對(duì)于多重耐藥高毒力肺炎克雷伯菌的報(bào)道呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)；但耐藥質(zhì)粒在高毒力肺炎克雷伯菌中的接合轉(zhuǎn)移還未見報(bào)道。歐竑宇研究組在軟件研發(fā)基礎(chǔ)上，以在第三代頭孢菌素耐藥肺炎克雷伯菌為研究模型，開展耐藥質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。研究人員和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院重癥學(xué)科瞿洪平教授研究組對(duì)分離自患者痰液樣本的高耐藥合并高毒力表型的肺炎克雷伯菌RJA166開展了合作研究（圖2）。RJA166為ST23分型和K1莢膜表型，具有高黏液和高毒力表型 (拉絲實(shí)驗(yàn)陽(yáng)性；BALB/c小鼠半數(shù)致死劑量為2.3×102 CFU)；且對(duì)第三代頭孢菌素具有耐藥性 (頭孢他啶MIC>64μg/ml)；通過比較頭孢他啶和亞胺培南對(duì)于RJA166感染小鼠的干預(yù)效果，確定了RJA166在小鼠體內(nèi)同樣具有對(duì)第三代頭孢菌素的耐藥性。RJA166有一個(gè) 230 kb的IncH耐藥質(zhì)粒pRJA166a，攜帶第三代頭孢菌素抗性基因blaDHA-1。雖然在以大腸桿菌 HB101或J53作為pRJA166a接合轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)的受體菌時(shí)，無(wú)法觀察到接合子的出現(xiàn)；但根據(jù)oriTfinder軟件的預(yù)測(cè)，pRJA166a是一個(gè)接合轉(zhuǎn)移質(zhì)粒，具有oriT、松弛酶、T4CP和T4SS等完整的轉(zhuǎn)移功能區(qū)。研究人員進(jìn)而嘗試了其它受體菌，發(fā)現(xiàn)了pRJA166a具有從RJA166向肺炎克雷伯菌其他高毒株 (ST23型和ST374型) 和肺炎克雷伯菌碳青霉烯耐藥株 (ST11 型) 發(fā)生接合轉(zhuǎn)移的能力，轉(zhuǎn)移頻率約為 10-6/donor cell；而且，pRJA166a可在多種受體菌中穩(wěn)定遺傳，對(duì)受體菌毒力無(wú)顯著影響。相關(guān)工作入選了2017年中國(guó)微生物學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)的主旨報(bào)告和優(yōu)秀學(xué)術(shù)交流獎(jiǎng)。
? ? ? ?鄧子新團(tuán)隊(duì)的歐竑宇研究組長(zhǎng)期從事肺炎克雷伯菌等耐藥病原細(xì)菌的可移動(dòng)基因組研究。以上兩篇論文是繼該研究組構(gòu)建了細(xì)菌IV分泌系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)SecReT4 (Nucleic Acids Research, 2013)、開發(fā)了細(xì)菌ICE等可移動(dòng)遺傳元件識(shí)別軟件VRprofile (Briefings in Bioinformatics, 2017)、發(fā)現(xiàn)了碳青霉烯酶基因blaKPC-2借助Tn1721-Tn3復(fù)合轉(zhuǎn)座子在ST11型肺炎克雷伯菌中擴(kuò)散 (Journal of Antimicrobial Chemotherapy，2015) 以來(lái)，取得的系統(tǒng)性進(jìn)展。研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
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論文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/article/46/W1/W229/4992657
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21505594.2018.1456229
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文字 |?歐竑宇
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