土壤中抗生素抗性基因的扩展分布环境多样性的探索

土壤中抗生素抗性基因的扩展分布： 环境多样性的探索 朱海强 10708051 Content 1、背景、主旨 2、土壤中抗生素抗性因子的探索 抗性因子 3、抗生素耐受性的获得：平行基因转移 扩散的方式 4、耐受性的扩大，探索环境多样性 总体阐述 5、总结 在临床实验中药物失效的情况下，人 们广泛的研究过抗生素的耐药性。现在有越 来越多的证据表明在环境中（如：土壤）生 活的微生物有多种抗药性。近来的功能筛选 和宏基因数据库的增长积累正在揭示：在环 境中存在着意想不到的高密度的抗生素抗性 基因的存在。这些改变了我们现在对抗生素 抗性的理解，并且对于现在的抗菌药物的探 索既是机遇又是挑战。 在偶然发现以及随后临床补充的青霉素种类的长达 3/4世纪里，在这个被誉为 抗生物的 黄金时代 ，人们从来没有想过治疗传染病仍然是个挑战。尽管有一 大堆的化学疗法，但是，微生物所引起的传染病在世界范围内依旧是发病率 和死亡率的主因之一，原因之一就是抗生素耐性基因的演变和传播。 滥用或过度使用抗生素及其他的因素 是造成耐性选择和传播的动力之一。 结果，微生物识别了大量的不同的抗 性机制，在很多情况下，病原体中显 露出了对一系列的抗生素的多抗性的 机制，使问题更加复杂化。 环境， eg：土 壤的微生物 人或动物 环境， eg：土 壤中变异的微 生物 人或动物 antibiotic 这篇综述讲了一下几点： 1、评估土壤中微生物的耐受性 2、在抗生素合成时极有可能起初演变的生态系统 以此作为临床上相关的机制的来源 和所理性预测的可能在未来临床病原体出现时机制的一种手段 土壤微生物之一 抗生素生产菌：一个储藏库和耐性决定因子公认的起源 特点及作用： 1、数量巨大， 1克土壤中有多达 109微生物 2、现实了用天生可产生抗生素的微生物来改善方法以便治疗传染病 3、在临床上使用的超过 80%的抗生素，起源于土壤微生物，它们或是直 接就是天然生产者，或是半合成的衍生物。 尤其是细菌中的放线菌类合成临床上使用的重要化合物的绝大部分。 由土壤微生物化学战争平衡的精密机制的演化 ，得出： 1、生产抗生素的微生物自我保护机制的共同进化 2、自然选择的有力证据 土壤被定义为抗生素耐受因子的仓库，特别是那些能产生抗生 素作为自我保护机制的微生物已经被研究数十年了。 但， 有关的机制到 70年代才有报道。 在 1973年，才在临床病原菌里检测到土壤中的链霉菌属的放 线菌里存在的氨基糖苷类抗生素抗性的两种分子机理。 卡那霉素 乙酰化 新霉素 磷酸化 土壤中抗生素抗性基因的探索 通过大量的土壤放线菌和那些临床上重要的菌株的类似 的研究确定了其中的分子机制和蛋白质同行现象 糖肽类抗生物万古霉素 肽聚糖的 D-Ala-D-Ala的尾部的重编程 VanHAX基因 家族的重编码 三个蛋白 Riesenfeld等人通过对一些不能培养的生物进行宏基因组文库构建， 对取自土壤中的 DNA片段和选择性耐受的 DNA片段的比较，功能性的揭 示了抗生素耐受蛋白的存在。 例如：氨基糖苷类抗生素 N-乙酰转移酶、 O-磷酸转移酶类和已知的四环 素外排泵。 现在，还为氨基糖苷类抗生素丁酰苷菌毒构建了新的耐受决定因子库。 这些都显示出了功能性宏基因组方法在抗生素抗性研究中的作用。 Schmitt等人 土壤中四环素耐受因子 土壤生物普遍的存在三种抗性基因 在添加肥料的土壤中发现了 5种基因 DCosta 等人建立了一个系统性的方法期望能描述使用氨基糖苷类抗生素 作为一种新的研究未来可能在临床上发生的耐受机制的手段。 通过构建数百个孢子形成的氨基糖苷类抗生素的形态学多样性文库和展现 21个收集到的包括自然产生、半合成和完全人工合成的抗生素的耐受性，这 是对土壤生物中耐受性的表型的密度的计算的最初尝试。耐受性的表型密度 和从结果概括出的多样性比预期的更大 。还确定了大量的抗生素失活酶，包 括最近发现的在抗生素泰利霉素和达托霉素中存在的新的耐受机制。 抗生素耐受性的获得：平行基因转移 在细菌的基因的转移可能造就了大量的耐受性的传播。这 种叫做平行基因转移（ HGT）的行为经常造成新的代谢途径 中受体产生的可能，结果适应了新的生态学位置。 外源基因的 DNA通常通过细菌之间的转化、接合作用和转导得到转移。 介导 HGT 产生的转 移基因元 件 质粒 转座子 有整合作用的整合子 耐受性的扩大：探索环境多样性 基因组序列的出现更加促进了我们对进化的理解。谈到耐受性决定因 子，这些成果揭示了有耐受性的作用的基因， 即具有编码有耐受性却不能 充分表达并且因此不能产生表型就像那种耐受性决定因子的前体物质 。 eg: 红霉素产生菌 Saccharopolyspora erythraea NRRL23338 的基因组内有 1%左右的耐受性因子存在。 宏基因组领域迅速的扩展发展了我们探索新的陆生和 水生环境的基因多样性的能力 宏基因组需要得到纯化自整个微生物生态环境的 DNA的克隆文库的序列 。这些得到的部分的基因组片段被认为可以展现整个群落的多样性，包括不 能培养的菌株。 一些宏基因 组工程在继 续发展着， 并且他们的 数据库是反 应环境生物 耐受性的信 息的无穷的 宝库 CAMERA数据库 摩尔基金海洋微生物序列工程 NCBI提供了一个宏基因组网页 与水生鲸尸体相关的环境 群落的附近区域的数据库 美国和澳大利亚的促生 态学去磷淤泥中群落 来自酸性矿山排水中的农耕 地和生物被摸微生物群落 北太平洋亚热带环流中的浮 游微生物群落的数据库 环境的耐受性多样性和传播性的研究中， 耐受性因子环境中的 耐受性蛋白 是具有很大价值的 。 -内酰胺类抗生素 机制：丝氨酸依赖性水解和蛋氨酸依赖性水解 作用位点：共价的在细胞壁的交联酶的具 活化的 丝氨酸 羟基残基末端 最普遍的耐受性机制是通过水解 -内酰胺酶进 行的药物失活，水解的部位是抗生素活性必须 的 -内酰胺 (乳胺 )环 。 A型 -内酰胺酶展现了青霉素绑定蛋白的序列同源性 ，据此可以认为 -内酰胺酶进行了进化。 在很多这些细菌中有缺失的基因的共性说明是来自一个共同祖先的进化。然而， 在一些菌株的同族体中出现整合酶的增加，并且在 Salmonella enterica菌株中，已经明 显证明了在临近区域的遗传学迁移出现增加和降低的现象。比较海洋宏基因组序列和 环境数据库的发现在不同的环境地点的 -内酰胺酶的存在，说明了有重要的耐受性因 子存在普遍的扩散性。 B型链霉杀阳菌素的活化 就是通过绑定并且随后阻塞细菌的 核 糖体出口通道 来抑制翻译得到的。 在 Staphylococcus aureus菌株中证明的临床耐受性是通过酯酶 Vgb的一种消除机制来切断内酯循环完成的。 这些酶展现了在环境菌株和临床致病菌中多种不同门中菌株中链 阳性菌素裂解酶的明显的系列相似性。分析有效的遗传环境后发现在 很多的致病菌株的可移动遗传元件的出现揭示了相邻菌株的基因转移 是潜在存在的。此外，环境基因组的研究和宏基因组数据库揭示了在 很多的系统发育簇中存在中大量的未知的裂解酶。 在结构上与 B型链霉杀阳菌素的不同的 A型链霉杀阳菌素 是放线菌的自然产物或者由 通过结合在细菌核糖体的 肽基转移酶中心后抑制其转录 后得到的半合成产物。就像 编码 VAT基因一样，通过对抗生素 o-乙酰化的 Staphylococcus和 Enterococcus试验 证明了临床上耐受性的存在。在隔离环境中确定了链霉杀阳菌素的 A型乙酰基转移 酶的存在，特别重要的是，作为生长促进剂，这些转移酶在经过链霉杀阳菌素治疗 的家禽体内发现。 结论 由功能性和电子杂交基因显影技术证明来了环境微生物存在以前未 知的大量的抗生素耐受性基因。这些意想不到的结论对我们明智的使用抗 生素和药物发现过程的认识产生了变革性的影响。此外，提高了我们对细 菌中蛋白质进化和基因转移的兴趣。下面是耐受性的早期的一