全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 5期
细菌抗生素和重金属协同选择抗性机制研究进展
季秀玲 魏云林 林连兵
(昆明理工大学生物工程技术研究中心,昆明 650224 )
摘 要: 随着各类抗生素和新型复合金属材料的不断开发和使用, 环境中抗生素和重金属离子协同污染的机率不断提
高, 对环境选择最为敏感的细菌通过自身的进化和发展形成了二者协同选择的抗性机制, 如协同抗性、交叉抗性、协同调控和
生物膜诱导机制。
关键词: 协同抗性 交叉抗性 协同调控 生物膜诱导
Research Advances on Coselection ResistantM echanisms of
Antibiotic and HeavyM etals Resistance in Bacteria
J iX iuling W eiYunlin L in L ianbing
(Biotechnology Research Center, Kunm ing University of Science and T echnology, K unming 650224)
Abstrac:t H eavy m eta ls and an tibiotic are increasing ly found in bacter ia l habita ts due to natura l and industr ia l processes, wh ich
show ed that a correlation ex ists between m eta l tolerance and antib io tic resistance in bacteria. They have evo lved severalm echanism s to
to lerate the presence of heavy m etals and antib io tic. Thesecose lec tion res istan tm echanism s include coresistance, cro ssres istance, co
regulation and biofilm induction.
Key words: Coresistance Crossresistance Coregu lation B io film induc tion
收稿日期: 20100111
基金项目:云南省自然科学基金项目 (KKSA200826046 )
作者简介:季秀玲,女,助教,研究方向:微生物学; Em ai:l jixiu ling1023@ 126. com
随着人类生产力水平和采矿业的不断发展及重
金属在冶金、化工、造纸、农业和医药业等方面的应
用,人们在享受日益丰富的物质和文化生活的同时,
也不得不面对逐渐突显的环境问题。抗生素的出
现,曾为人类的健康和生存做出了巨大贡献,然而随
着抗生素的滥用,导致了多重耐药性细菌的不断出
现,使得感染性疾病越来越难以治疗,细菌耐药性已
成为全球关注的问题。加上新型合成和复合金属材
料不断应用于医学领域, 以及重金属抗菌剂的广泛
应用, 使得环境中抗生素及重金属离子协同污染的
机率不断提高,对环境选择最为敏感的微生物通过
自身的进化和发展形成抗生素和重金属离子协同选
择抗性, 这方面的报道近年已呈急剧上升的趋
势 [ 1, 2] ,尤其令人担心的是,其中很多种属的细菌是
医院常见的致病菌。如医院分离到的伤寒沙门菌
(Salmonella enterica serovar Typhimurium )
[ 3]
,洋葱伯
克氏菌 ( Burkholderia cepacia ) [ 4]等均为抗多种重金
属和多耐药性菌株。
随着协同选择抗性微生物种类和数量的增加,
这方面的研究逐渐受到关注。目前, 在自然环境中
已经分离到多株对金属离子和抗生素均具抗性的细
菌, 如铅锌尾矿分离的阴沟肠杆菌 ( Enterobacter clo
acae )
[ 5]
, 海水和沉积物中分离的气单胞菌属 (Aero
monas)
[ 6]
, 甚至在南极海水中分离的莫拉氏菌属
(Morax ella)和假单胞 (P seudomonas) [ 7 ]等嗜冷菌也
表现出了对抗生素和重金属离子的抗性。细菌的抗
生素抗性与重金属抗性之间存在着紧密关系, 这已
成为威胁植物、动物及人类感染性疾病治疗的全球
性问题 [ 1, 8]。与抗生素不同, 重金属在自然环境中
很难被降解,作为一种长期、广泛且顽固的选择性压
力, 使该环境中的微生物不仅保持和强化了原有的
重金属离子抗性, 而且通过协同作用进一步加剧了
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 5期
对抗生素的抗性。重金属污
染地区抗生素治疗细菌感染性疾病总是效果不
好,其原因可能就在于重金属离子的选择压力增加
了抗生素的抗性。这种现象对于目前只利用抗生素
进行细菌感染性疾病的治疗提出了新的挑战。因
此,深入了解细菌抗生素和重金属离子协同选择抗
性形成机制不但非常必要, 而且已经是一项刻不容
缓的重要工作。对目前存在的 4种抗生素和重金属
协同选择抗性机制研究进展做一综述。
1 协同抗性机制
协同抗性是指重金属抗性基因和抗生素抗性基
因定位于同一个遗传元件上,如质粒、转座子或整合
子。细菌质粒是独立于染色体自主复制的环状双链
DNA分子,事实证明质粒上常常带有抗生素或 /和
重金属抗性基因 [ 9 ] , 通过转化、质粒消除和质粒测
序方法已经证明重金属和抗生素抗性基因常常定位
于质粒上 [ 10, 11 ]。病原菌伤寒沙门菌 ( S. enterica ser
ovar Typh iCT18)全基因组测序结果表明, 结合质粒
pHCM1赋予该菌甲氧苄氨嘧啶、磺胺药物、氯霉素、
氨苄青霉素、链霉素和汞抗性 [ 3]。污水处理厂活性
污泥中分离的大肠杆菌 ( E scherichia coli DH 5mcr )
质粒 pRSB107就对 9种抗生素和重金属汞均能产
生抗性 [ 12] (图 1)。
A.协同抗性机制, pRSB 107质粒含有汞抗性和多种抗生素抗性,如链霉素、四环素等; B.交叉抗性机制, M exGH IOpmD外排泵对钒
和替卡西林产生抗性; C.协同调控机制,多重药物抗性操纵子、锌 /镉 /钴操纵子及双组分系统相互联系,从而调控重金属的排出及
碳青霉烯类抗生素的抗性
图 1 细菌抗生素和重金属共选择抗性机制图
从养猪场分离到的粪肠球菌 A17sv1(Enterococ
cus faecium )接合质粒上同时含有铜抗性基因 ( tcrB )、
大环内酯类抗性基因 ( ermB )和糖肽类抗生素的基
因簇 ( vanA ) , 铜抗性基因 ( tcrB )编码的蛋白属于
CPx型 ATPase重金属转运蛋白家族成员 [ 13]。因
此,饲养动物的添加剂中使用重金属如铜,高铜饲养
的选择压力可能形成协同选择导致多重耐受性,如
抗生素抗性菌株的出现, 这些菌株通过食物或动物
与人的接触,传播给人, 而人类排泄的废物污染环境
和食物链,自然环境中的细菌接触到大量抗生素,由
此产生了耐药性。
转座子 (跳跃基因 )常带有某种特定基因, 如抗
生素抗性基因、重金属抗性基因和转座酶基因等。
整合子也是导致耐药基因在细菌间水平转移的重要
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2010年第 5期 季秀玲等:细菌抗生素和重金属协同选择抗性机制研究进展
原因 [ 14]。肠杆菌 (Enterobacter)可移动遗传元件 In
cJ包括 R391、R392、R705、R997和 pMERPH, 通过
位点特异性重组元件编码可变的抗生素和重金属抗
性基因 [ 15]。1类整合酶 ( intI1)普遍存在于环境细菌
中,在介导金属和抗生素抗性中扮演重要的角色 [ 16]。
因此, 许多抗性基因定位于可移动的遗传元件
上,某些遗传元件在亲缘关系相近的细菌中进行交
换,从而导致多重抗性的产生。
2 交叉抗性机制
交叉抗性是指利用同一种抗性系统对抗生素 (药
物 )和重金属同时产生抗性,如外排泵。药物外排泵通
过降低胞内的药物累积而产生抗性,是细菌产生耐药
性的重要途径,目前可分为 5个家族,主要为易化超家
族 (major facilitator superfam ily, MFS)、耐药结节化细胞
分化家族 ( resistancenodu lation div ision fam ily, RND)、
小多重耐药家族 ( small multidrug resistance fam ily,
SMR)、多药及毒性化合物外排家族 (multidrug and tox
ic compound extrusion fam ily, MATE )和 ATP结合盒家
族 (ATPb inding cassette fam ilies, ABC )。
在革兰氏阴性菌中起主要作用的为 RND家族
蛋白, 该家族成员均为反向运输蛋白, 能量来源于
H
+质子动力。如 E. coli的 AcrB蛋白属于 RND家
族,参与多种抗生素和重金属 ( CnrA簇 )的转运 [ 17 ] ,
伤寒沙门菌 ( S. enterica serovar Typh imur ium )具有
多种药物外排泵,其中外排泵 MdtABC和 AcrD使该
菌对 内酰胺、新生霉素、铜和锌离子产生抗性 [ 18 ]。
绿脓假单胞菌 (P seudomonas aeruginosa )的 MexGH I
OpmD外排泵 [ 19] ,对金属钒和抗生素替卡西林产生
抗性 (图 1)。
多重耐药外排泵广泛存在于各种病原菌中,如洋
葱伯克氏菌 ( Burkholderia cepacia )的 DsbADsbB系
统 [ 4]和粘质沙雷氏菌 [ 20] ( Serra tia marcescens )的多重
耐药外排泵,均可将有毒重金属和抗生素排至胞外。
因此, 可以通过降低医院中重金属使用浓度和
研发外排泵的抑制剂以发挥抗生素的最大效用;对
外排泵和重金属、抗生素之间的相互作用及其调节
通路的进一步研究, 不仅为细菌的耐药防治提供思
路,也将为揭开细菌如何应对二者协同抗性之谜提
供参考。
3 协同调控机制
在抗生素或重金属任何一种压力存在的条件
下, 一系列转录和翻译应答系统均会对其作出反应,
如双组分系统。双组分系统是细菌中广泛存在的信
号转导系统,由膜定位的感应激酶和胞质转录调节
蛋白组成,在外界环境刺激或内部信号的作用下,对
化学信号、渗透胁迫和氧分压等环境变化作出有效
反应。
绿脓假单胞菌 ( Paeruginosa ) CopRS和 C zcRS
双组分系统分别调控对铜和锌 /镉 /钴的抗性。锌诱
导 C zcR蛋白, 对锌 /镉 /钴产生抗性, 同时负调控
oprD基因, 对抗生素产生抗性 [ 21] ; 用铜处理该菌,
czcRS双重组分系统操纵子和 czcCBA (编码锌 /镉 /
钴外排泵 )操纵子的转录水平均提高, 同时引起膜
孔蛋白 OprD减少, 最终导致对碳青霉烯类抗生素
产生抗性, 即铜激活 CopR,后者参与调控 C zcRS双
重组分系统,进而控制抗生素的进入和重金属的排
出 [ 22] (图 1)。
过量 Zn2+存在时, E. coli的 BaeSR双组分信号
转导系统感应膜的压力,激活 yegMNOB( mdtABCD )
转运基因簇的转录,从而对新生霉素、脱氧胆酸盐和
锌离子产生抗性 [ 23]。在伤寒沙门菌 ( S. enterica )中
也发现类似机制, BaeSR双组分信号转导系统诱导
AcrD和 MdtABC药物排出泵, 从而对 内酰胺、新
生霉素、Cu2+和 Zn2+产生抗性 [ 18]。
因此,在抗生素或重金属存在下,细菌通过双组
分系统进行协同调控,对环境变化作出应答,从而对
二者产生抗性。
4 生物膜形成诱导机制
细菌生物膜是一种包裹于细胞外多聚物基质中
(主要是多聚糖 )、不可逆黏附于非生物或生物表面
的微生物细胞菌落,是细菌为适应环境、增强环境抵
抗力和维持自身生命所发生的形态学变化。生物膜
是工业、临床和环境生态系统中细菌的主要生长方
式, 形成生物膜是细菌金属和抗生素协同选择抗性
机制的一个重要方面是, 临床上顽固性细菌感染的
因素之一 [ 24] ,如绿脓假单胞菌 (P. aeruginosa )、肺炎
克雷伯氏菌 (K lebsiella pneumoniae )和表皮葡萄球菌
( S taphy lococcus ep iderm id is)。
细菌生物膜耐药机制主要包括渗透障碍, 胞外
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 5期
多糖是细菌生物膜的一个重要特性; 营养及氧气限
制;生物膜表型的表达;细菌群体感应 ( quo rum sens
ing, QS)。生物膜内细菌密度高, 细菌之间的空间狭
小,为基因的横向转移提供了理想的环境 [ 25 ] ,自然
条件下,微生物以浮游和生物膜两种生长状态存在,
形成生物膜的细菌对金属和抗生素的耐受性远远高
于浮游细菌 [ 26 ] ,研究表明向浮游细菌中加入金属或
抗生素刺激产生胞外多糖 ( EPS), 导致细胞黏附,最
终形成生物膜,细菌产生的胞外多糖对生物膜的形
成和稳定生物膜的三维结构起着重要的作用 [ 27]。
表皮葡萄球菌 ( S. ep iderm idis)暴露于亚抑制浓
度的四环素和半合成的链霉杀阳菌素抗生素奎奴普
丁 达福普丁, 结果发现, 胞间脂多糖黏附素蛋白前
体 ica的表达提高了 9- 11倍,导致细胞间黏附,从
而对抗生素敏感性降低 [ 28]。形成生物膜的绿脓假
单胞菌 (P. aeruginosa )含有多药外排泵 NdvB、Mex
ABOprM和 MexCDOprJ,参与对抗生素的抗性, 同
时与未形成生物膜的浮游绿脓假单胞菌 (P. aerugi
nosa)相比,对铅和铜离子的耐受性可分别提高 2倍
和 600倍 [ 29]。
细菌生物膜的形成使细菌对抗生素和重金属的
抗性大大提高,从而导致严重的临床问题,尤其是慢
性和难治疗的疾病,因此, 开发抗细菌黏附的复合微
生物制剂、研发新型药物等为干扰生物膜的形成提
供一个新的视角和方法。
5 展望
细菌的抗生素和重金属协同抗性已成为威胁植
物、动物及人类感染性疾病治疗的全球性问题。目
前,研究人员已从矿山废水中分离得到多株重金属
和抗生素抗性细菌,并克隆了 KMR3菌株的铜和氯
霉素抗性基因 [ 30, 31] , 关于 KMR3菌株重金属和抗
生素协同抗性的研究正在进行中。对细菌协同抗性
机制的研究,不仅有助于阐明生物与环境的协同进
化关系,还可为医院治疗协同抗性细菌的感染提供
新的思路。
参 考 文 献
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中国大山包黑颈鹤自然保护区植物
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9787030267900 286. 00 2010年 3月出版
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参考。
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