抗生素耐药性可能比预期的更容易传播

病原菌在人类发展中抵抗抗生素比预期快得多。查尔姆斯理工大学的计算研究,瑞典,显示其中一个原因可能是重要的基因转移细菌在我们的生态系统和人类之间。这项工作也导致耐药性研究人员的新工具。

根据世界卫生组织(who),抗生素耐药性是全球健康的最大威胁之一,食品安全与发展。它已经在欧洲每年导致超过33000人死亡。

完全不同种类的细菌可以通过质粒互相传播抗性基因——小DNA分子细菌存储他们的一些基因在染色体外。当两个细菌细胞接触,他们可以拷贝质粒。这叫做接合,它是最重要的抗生素耐药性扩散的机制。

“近年来,我们已经看到,抗性基因传播到人类病原体在更大程度上比任何人预期,”Jan Zrimec说,查尔默斯大学研究员系统和合成生物学技术。“许多的基因似乎起源于一系列广泛的细菌物种和环境,如土壤、水和植物的细菌。

“这是难以解释,因为尽管接合是很常见的,我们认为有不同的限制细菌物种可以转移质粒。质粒属于不同的流动群体,或暴民群体,所以他们不能只是任何细菌物种之间的转移。

特定的DNA区域揭示传播的潜力

Zrimec开发了新方法的数据分析表明,基因转移可能是无限的和普遍比之前预计的要快得多。

除此之外,他开发了一个算法,能够识别特定的必需的DNA区域,结合——称为oriT地区组成的大量数据从成千上万的质粒DNA的基因序列。算法还可以排序质粒为暴民群体的基础上,确定oriT地区。

他用算法探索已知基因序列来自4600多个天然质粒从不同类型的细菌,也不可能去做系统。结果显示,除其他事项外,:

——oriT地区可能的数量几乎高出八倍比今天使用的标准方法。

——移动质粒的数量可能是先前的两倍。

——移动质粒的细菌物种的数量可能是几乎和之前所知的两倍。

超过一半的这些质粒oriT区域匹配结合酶从另一个质粒,曾被分类在不同的暴徒。这意味着他们可以通过这些质粒转移,碰巧在同一细菌细胞。

最后一部分就意味着可能会有大量的细菌物种之间传输机制和环境,我们此前认为的有障碍。

“这些结果可能意味着有一个健壮的网络之间传输质粒细菌对人类,动物,植物,土壤、水生环境和行业,仅举几例,“Zrimec解释道。“抵抗基因自然发生在许多不同的细菌在这些生态系统,和假设的网络可能意味着基因从所有这些环境可以被转移到人类致病细菌。

“这可能是一个可能的原因在人类病原体耐药性的快速发展,我们近年来观察。我们大量使用抗生素抗性基因的选择,这可能因此流从一个更大的自然发生的基因比我们此前估计的水库。”

对打击抗生素耐药性可能是重要的

需要验证实验结果在未来,但数据分析方法Zrimec发达已经可以受雇于许多研究者使用各种医学和生物学领域的抗生素耐药性。他们提供了一个强大的新工具,系统地映射出不同的质粒的潜在的可转让性。

“这是研究领域的一个主要限制到目前为止,“Zrimec说。“我希望这些方法能够受益的大部分抗生素耐药性的研究,这是一个非常跨学科和分散的区域。方法可以用于研究旨在开发更有效的限制抗生素的使用,说明如何使用抗生素和新类型的物质可以防止扩散的抗性基因在分子水平上。”

更多关于:基因通过接合转移

为了结合开始,需要一种酶——relaxase——适合到质粒上的特定位置。relaxase必须识别并绑定到一个区域的DNA环可以擦痕和链转移到下一个细菌。这个DNA区域叫做转移的起源,或oriT。

以前,人们认为一个质粒必须包含的基因relaxase和匹配oriT为了被转移到其他细菌。但一个细菌细胞可以包含几个质粒,近年来各种研究表明,relaxase从一个质粒可以符合一个oriT地区另一个质粒位于相同的单元中,激活的接合质粒。

这意味着它可能足以让一个质粒只有oriT共轭,反过来意味着许多以前被列为非移动的质粒,因为他们缺乏relaxase基因,可以接合。但直到现在还没有知道常见细菌之间的现象。这是一个帮助填补知识空白,Zrimec的结果。

更多关于:新方法与当前的标准

目前评估的标准工具的可转让性质粒是基于搜索的DNA序列relaxase酶或酶可以绑定oriT地区。有几个关键的限制。首先,一些工具产生完整的结果,而另一些则需要非常耗时和resource-demanding实验室测试。

Zrimec新的数据分析方法是完全基于识别oriT区域,使用特殊的理化性质oriT地区发现特别的DNA。通过之前的研究,他表明,这些生化的签名——确定relaxase可以绑定到oriT地区——是更稳定的和特定的DNA序列本身。这允许质粒的分类正确的暴民团体基于oriT地区,独立于relaxase,也允许研究人员绘制出不同种类的细菌和环境之间的整体可转让性。

可以管理大量数据的方法,可以用来有效地搜索oriT区域完整的质粒。

参考
Zrimec j .多个质粒转移起源优先车道区域可能援助抗菌素耐药性人类病原体的传播。微生物学开放、Volume9 Issue12, 2020年12月,e1129。https://doi.org/10.1002 / mbo3.1129

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