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多药外排基因cmeABC的研究进展

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第37卷第8期 2015年8月 中国预防兽医学报 Vo1.37.NO.8 Aug.2015 Chinese Journal of Preventive Veterinary Medicine doi:10.3969/j.issn.1008—0589.2015.08.19 多药外排基因cmeABC的研究进展 刘耀川1,2,李凤元 ,张德显・,张泽辉 ,刘明春 (1.沈阳农业大学,辽宁沈阳110866;2.辽宁省重大动物疫病应急中心,辽宁沈阳110161) 中图分类号:¥852.61 文献标识码:B 文章编号:1008.0589(2015)08.0647.04 多药外排系统(Multi—drug resistance,MDR)是细菌固 有及获得性耐药的重要组成部分之一。目前,可将在不同 起始端之间存在一个重叠起止的密码子(一ATGAATAA一)。 这3个基因的重叠部分均缺少茎环结构,推测这3个基因 很可能被整合成为一个联合操纵子_5_。序列分析也得出相 同结论,cmeC很可能同cmeA及cmeB共同转录,启动子 位于cmeA上游。 细菌中发现的20多种外排泵,分为5个家族:小多药耐 药族(Small multi.drug resistance,SMR);ATP结合盒超家 族(ATP binding casseRe,ABC);耐药节结化细胞分化超 家族(Resistance nodulation cell division,RND);主要易化 子超家族(Major facilitator,MF);多种抗菌药物排出转运 分子家族(Multidrug and toxic compound extrusion,MATE)。 CmeABC外排系统(MDR)属于耐药节结化细胞分化超家族 在靠近这3个基因的上游,存在潜在的核糖体结合位 点,在cmeA基因的上游有若干个反向重复序列,为转录 因子的结合位点,推测为调节cmeABC转录的调节基因 结合位点。通过序列比对发现,该位点与TetR/AcrR外排 泵转录抑制子家族有较高的同源性,与cj0368c基因的同 源性为99.5%,命名为cmeR基因[61。其表达蛋白为一个 折叠一转角一折叠的DNA结合位点,DNA可结合于其表 (RND)的一员,由于其能够引起食源性病原菌弯曲杆菌的 多药耐药川,而成为研究热点。CmeABC外排蛋白能够介 导弯曲杆菌对喹诺酮类、大环内酯类、13.内酰胺类等多 种药物的高水平耐药[21,具有底物广泛、外排作用强的特 点。因此,本文对CmeABC蛋白及编码该蛋白的基因研 达产物的N端,N端与TetR家族有高度的同源性【7】。 在cmeB基因突变株中发现,cmeB基因的突变,会 导致CmeB蛋白和CmeC蛋白同时发生改变。通过对突变 株包膜蛋白的免疫印迹试验发现,CmeB蛋白的分子量减 究进展进行综述,为细菌耐药性研究提供帮助。 1 cmeABC外排基因 1.1 cmeABC基因描述 cmeABC(Campylobacter mul— 少了70 ku,结构和功能已完全被破坏。突变株中未发现 CmeC蛋白[8],表明cmeB基因突变导致cmeC基因无法表 达,对其产生极效应。 在cmeABC基因下游,紧邻cmeC基因处,存在一个 功能未知的ORF,其编码蛋白功能也暂不清楚,按照与 cmeABC相反的方向进行转录 ,cmeB基因突变并不能对 该基因产生极效应。 1.2 cmeABC基因在细菌耐药中的作用 cmeABC基因 在弯曲杆菌属中分布十分广泛,Corcoran等在124株人 tidrug e用ux)外排基因首次于2002年由美国科学家Lin在 耐药弯曲杆菌中发现。该基因是一个约5 719 bp,含有3 个开放阅读框(ORF)的调节基因,3个ORF分别为cmeA (1 104 bp)、cmeB(3 123 bp)及cmeC(1 479 bp)。在弯曲 杆菌属中,该基因的同源性为98%~100% 。 序列分析发现,cmeA、cmeB及cmeC基因与多药耐 药基因cj0365c、cj0366c及cj0367具有较高同源性_4】,后 者的编码蛋白能够介导细菌对多种不同结构的抗生素产生 较高水平耐药。cmeA终止密码子(一TAA一)与cmeB起始密 码子(.ATG.)之间存在部分重叠;在cmeB的末端与cmeC *Corresponding author 源及禽源弯曲杆菌分离株中均检测出该基因,检出率为 100%_4_。Iovine等在19株弯曲杆菌临床分离株中该基因 的检出率也为100% 。Hoanq等在弯曲杆菌标准株 NCTC11168中发现一个与cmeABC同源率极高的片段, 收稿日期:2014.10.15 基金项目:国家自然科学基金(31272601、31201954) 作者简介:刘耀)11(1982-),男,辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事兽医药理毒理研究及重大动物疫病防控工作 通信作者:E-mail:liumingchun@sina.com 648 中国预防兽医学报 2015年 同源率为98.9% ,推测cmeABC可能为弯曲杆菌固有基 因。 通过对敲除cmeABC基因与未敲除该基因的弯曲杆菌 的药物敏感性试验发现,敲除株对多种抗生素的敏感性均 有不同程度提高。其中对氟喹诺酮提高8倍fl0】,诺氟沙星 提高2倍,萘啶酸提高2倍,头孢噻肟提高256倍,氨苄 西林提高32倍,红霉素提高4倍,利福平提高128倍(弯 曲杆菌对利福平为固有耐药,推测由cmeABC基因介导 产生)…],四环素提高8倍。而敲除株对氯霉素、庆大霉 素、抗菌肽及重金属物质CoCl 和Cue1 的敏感性则可逆 性的提高2倍_】21。 在同时含有四环素耐药基因tctO的情况下,敲除株 对四环素的敏感性提高了8倍m],推测cmeABC能够与 tctO基因协同作用,共同介导细菌对四环素耐药。 值得注意的是,cmeABC敲除株对胆盐的敏感性有很 大幅度的提高,表现对胆盐的超敏现象。其中对鹅脱氧胆 酸盐的敏感性提高4 000倍,对脱氧胆酸盐的敏感性提高 1 000倍,对胆酸盐及牛磺胆酸盐的敏感性提高64倍1 ]。 胆盐能够抑制细菌在肠道内定植,弯曲杆菌对胆盐的固有 耐药,是保证菌体能够定植的重要前提条件。cmcABC敲 除株对胆盐的超敏现象,可为弯曲杆菌病的防控开辟一条 新途径。 2 CmeABC外排蛋白 CmeABC外排蛋白作为细胞内的一个耐药区块,由 周质融合蛋白(CmeA)、内膜转运体蛋白(CmeB)及外膜蛋 白(CmeC1 3部分组成。3个蛋白协同作用,形成膜通道, 通过耗能过程将多种物质,如染料、试剂及抗生素等泵出 细胞外。 2.1 CmeA蛋白CmeA由cmcA基因编码,含367个氨 基酸,分子量为3"7.9 ku,氨基酸序列与淋球菌MtrC外排 蛋白相似性为29.9%;与绿脓杆菌MexA及MexC的氨基 酸相似性分别为29.2%及29.6%i151;与大肠杆菌AcrA的 氨基酸相似性为31.4%。 2.2 CmeB蛋白 CmeB由cmeB基因编码,含1 040个 氨基酸,包含12个跨膜区域;CmeB分子量为114 kut , 氨基酸序列与大肠杆菌AcrB、AcrD及AcrF的相似性分 别为4l%,42%及41%;与铜绿假单胞杆菌MexB、 MexF氨基酸相似性为41%及40%l16]。 2.3 CmeC蛋白CmeC由cmeC基因编码,含492个氨 基酸,分子量55.3 ku。CmeC蛋白氨基酸序列与铜绿假 单胞杆菌的外膜蛋白OprM及OprN的相似性为25%及 24% ;与大肠杆菌TolC的氨基酸相似性为24%。 CmeA、CmeB及CmeC在大肠弯曲杆菌与空肠弯曲 杆菌中的氨基酸序列相似性分别为100%、97%及100% , 而在大肠弯曲杆菌标准株与临床分离株中3种蛋白的氨基 酸序列相似性分别为98%、98%及99%。 通过对CmeA、CmeB及CmeC 3个蛋白的结构预测 发现,其结构与功能均与已知的3种外排泵蛋白cj0367c、 cj0366c及ci0365c极为相似_18],为革兰氏阴性菌3重耐 药外排泵蛋白。 3 cmeABC的机制 3.1 cmeR对cmeABC的cmeR基因位于cmeA的 上游,转录方向与cmcABC相同,编码含有210个氨基酸 的蛋白,氨基酸序列与TetR家族蛋白存在较高同源性【lo1。 与金黄色葡萄球菌的QacR的同源性为50%;与大肠杆菌 AcrR的同源性为40%;与淋球菌MtrR的同源性为31%。 CmeR为转录抑制子,能够与cmeABC的启动子区域 (特别是反向重复序列)直接结合。cmeR基因的突变或 CmeR结合位点的突变,均能够影响转录抑制子的作用, 导致cmeABC基因的超表达,从而引起耐药。对cmcR基 敲除株的研究发现,与未敲除株相比,敲除株cmeABC 的表达量增加了5倍ll9】。 cmeR与 ̄meA之间存在一个97 bp的基因间隔区,在 此区域内有两个7 bp(一TGTAATA一,一TATTACA一)的反向 重复序列,两重复序列之间为2 bp(.AA一)插入片段161。 CmeR转录抑制子能够与基因间隔区中的某一特定位点结 合,从而抑制cmcABC启动子功能。但具体结合位点仍 未确定,推测可能为基因间隔区内的两个反向重复序列。 当反向重复序列发生突变时,cmeABC的表达量会发生明 显变化,这进一步证明了该位点可能为转录抑制因子的结 合位点。 3.2胆盐对cmeABC表达的影响胆盐可以抑制CmeR 转录抑制子f“],使其无法抑制cmcABC启动子而使Cme. ABC超表达,并将胆盐排出体外。推测可能是在环境选 择压力下,细菌为定植于肠道内而对胆盐产生的抵抗机 制。 作为CmeR的配基,胆盐与CmeR转录抑制子的C端 作用,使转录抑制子发生构象改变,无法与cmeABC上 游基因间隔区内的重复序列结合,继而导致CmeABC超 表达。而同样作为膜转运蛋白编码基因cj0561c,其表达 也受到CmeR转录抑制子。表达产物ci0561c为外排 泵蛋白,但与细菌耐药无关,q0561c只能以胆盐为底物 将其排出体外。机制尚未明确,但推测可能与cmeABC 相同。当胆盐进入菌体内后与CmeR作用,使其构象发生 改变,不能与cmeABC和cj0561c的启动子区域结合fl7】, 使CmeABC和ci0561c超表达。表达产物能以胆盐为底 第8期 刘耀川,等.多药外排基因cmcABC的研究进展 649 物,将其排出菌体,使细菌能够定植于肠道内。研究发 现,胆盐中的胆酸盐及牛磺胆酸盐对CmeR的抑制作用最 强㈣。 3.3 PN B N外排泵抑制剂对CmeABC外排泵系统 抑制剂研究较多的为PN[3N(Phe—Arg ̄-naphty1.amide dihy- drochloride)。PNBN为RND型耐药的抑制剂,该抑制剂 对CmcABC外排泵系统抑制效果的试验表明,在有抑制 剂存在的条件下,细菌对红霉素的敏感性提高了64~128 倍 ;对利福平敏感性提高了1 024倍;对新霉素敏感性 提高了128倍;对氟喹诺酮敏感性提高了2~4倍;对头 孢噻肟敏感性提高了2倍。但对次氯酸钠及磷酸3钠的敏 感性无明显影响。 研究表明PNB N对CmeABC外排泵系统的抑制作用 具有明显的剂量.效应关系。当抑制剂浓度为0.25 izg/mL 时产生抑制效果,细菌对红霉素的敏感性提高2~4倍。 随着抑制剂浓度逐渐增加,细菌的敏感性也逐渐提高。当 抑制剂浓度达到8 mL时[2】],对红霉素的敏感性提高了 64--256倍(抑制剂对细菌的致死浓度为16 ̄g/mL,当浓 度>8 txg/mL时,抑制剂本身已对细菌生长产生抑N)t 。 研究表明,抑制剂PNBN能够逆转细菌获得性耐药。 细菌对红霉素的固有耐药,是由于23S rRNA V区发生 A2 ̄0G突变而导致的。在对23S rRNA V区未发生突变的 菌株进行红霉素敏感性试验后发现,当加入抑制剂后,细 菌对红霉素的敏感性提高了16~64倍 ,MIC已低于敏 感株的MIC值。由于这些菌株未发生V区的A UG突变, 所以对红霉素耐药为获得性耐药f2I-221。表明抑制剂PNI3N 能够逆转细菌获得性耐药,但其机理及可逆转耐药的种类 还有待进一步研究。 4 小 结 CmeABC由于能够介导食源性病原菌弯曲杆菌的多 药耐药,已成为研究热点。对该基因的组成、结构及编码 蛋白的功能已进行较深入的研究。最近的研究主要是针对 该基因的机制,如cmeR基因,以及位于cmc. ABC基因下游的反向编码序列。近期关于胆盐及23S rRNA个别位点突变对cmeABC基因表达量的作用引 起研究人员的关注,希望能够为该基因机制研究开辟 新思路。同时CmeABC外排泵抑制剂PNI3N的研究也有 一定进展,为治疗弯曲杆菌病奠定理论基础。 参考文献: [1] Mavri A,Mozina S S.Involvement of efifux mechanisms in bio— cide resistance of Campylobacter jejuni and Camplobactercoli [J].J Med Microbiol,2012,61(6):800—808. [2】 Hoanq K V,Stem N J,Lin Jun.Development and stability of bacteriocin resistnace in Campylobacter spp[J].J Appl Microbiol, 2011,111(6):1544—1550. [3] Duarte A,Santos A,Manageiro V,et a1.Human,food and ani- mal Campylobacter spp.isolated in Portugal:high genetic diver- sity and antibiotic resistance rates【J].Int J Antimicrob Agents, 2014,6(26):1031-1044. [4] Corcoran D,Quinn T,Cotter L,et a1.Characterization of a cme- ABC operon in a quinolone resistant Campylobacter coli isolate of Iirsh origin[J].Microb Drug Resist,2005,1 1(4):303—308. [5] Iovine N M.Resistance mechanisms in Campylobacter jejuni [J].Viurlence,2013,4(3):230—240. 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