中大新聞網(wǎng)訊（通訊員張玉琦）抗生素的發(fā)現(xiàn)是人類歷史上最重要的生物醫(yī)學(xué)成就之一。然而，抗生素的大量使用促使抗微生物藥物耐藥性（Antimicrobial resistance，AMR）快速演化。每年死于AMR相關(guān)疾病的人數(shù)高達(dá)數(shù)百萬。開發(fā)新型抗生素是目前應(yīng)對AMR的普遍策略，但新型抗生素研發(fā)周期長、難度大，因而亟需尋找新方法以遏制抗生素耐藥性。耐藥性的出現(xiàn)和傳播是自然選擇的過程，細(xì)菌面對逆境（如抗生素壓力）往往通過犧牲一部分適應(yīng)性（Fitness）來獲得適應(yīng)逆境的生存能力。一旦脫離逆境，這些適應(yīng)性較低的菌株克隆容易被其他優(yōu)勢群體所取代。與此同時(shí)，全球許多國家或地區(qū)試圖通過停用抗生素來遏制耐藥性的傳播。然而，禁用抗生素能否有效降低耐藥性的傳播存在很大爭議，如何提前評估禁抗策略的有效性是當(dāng)前該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。
近日，中山大學(xué)楊建榮教授團(tuán)隊(duì)、田國寶教授團(tuán)隊(duì)和陳小舒教授合作團(tuán)隊(duì)在Lancet Microbe在線發(fā)表題為“Assessment of the reversibility of resistance in the absence of antibiotics and its relationship with the resistance gene’s fitness cost: a genetic study with mcr-1”的研究論文。該研究聚焦多粘菌素耐藥基因mcr-1，首次提出假說：當(dāng)細(xì)菌耐藥基因同時(shí)符合兩大條件時(shí)，禁抗策略將能有效降低耐藥性的傳播。這兩大條件包括：1）耐藥基因具有強(qiáng)適應(yīng)性代價(jià)；2）耐藥基因近端突變體中不含（或少見）保留耐藥性且適應(yīng)性代價(jià)低的突變體（costless-resistant variants）。
研究人員首先構(gòu)建了mcr-1基因約15,000種突變體的質(zhì)粒文庫，并將其轉(zhuǎn)入大腸桿菌受體菌中。將攜帶有野生型mcr-1、mcr-1突變體文庫和無功能mcr-1（對照）的大腸桿菌菌株克隆混合，置于不同濃度多粘菌素培養(yǎng)基中進(jìn)行混合培養(yǎng)，并利用深度測序技術(shù)分析混合培養(yǎng)不同時(shí)間點(diǎn)各種突變體頻數(shù)的變化，計(jì)算它們相對于對照菌的相對生長速率。結(jié)果顯示，在無多粘菌素環(huán)境中，野生型mcr-1陽性大腸桿菌的相對生長速率下降了73.8%，提示野生型mcr-1基因具有很強(qiáng)的適應(yīng)性代價(jià)。同時(shí)，單點(diǎn)突變體中，無適應(yīng)性代價(jià)或低適應(yīng)性代價(jià)的突變體非常罕見（約0.1%，3/3449，下圖）；即使納入進(jìn)化上更難發(fā)生的多點(diǎn)突變體，無適應(yīng)性代價(jià)或低適應(yīng)性代價(jià)的突變體比例也很低（約0.3%，43/14741，下圖）。以上結(jié)果說明mcr-1基因確實(shí)符合禁抗策略奏效的兩大條件。
為進(jìn)一步理解上述現(xiàn)象，研究人員分析了帶有提前終止密碼子的突變體。結(jié)果表明，由于MCR-1從N端到C端依次為跨膜結(jié)構(gòu)域、連接結(jié)構(gòu)域和催化結(jié)構(gòu)域，而MCR-1抗性的維持依賴于其編碼的完整催化結(jié)構(gòu)域，而適應(yīng)性代價(jià)則只需要完整的跨膜結(jié)構(gòu)域和連接區(qū)域，因此無義突變無法在消除適應(yīng)性代價(jià)的同時(shí)保留耐藥性。
最后，為了驗(yàn)證真實(shí)世界中MCR-1適應(yīng)性代價(jià)與其流行率變化之間的關(guān)系。研究人員通過比較我國禁用多粘菌素作為飼料添加劑的政策實(shí)施以來，住院患者中mcr-1流行率的動(dòng)態(tài)變化，利用擬合群體遺傳學(xué)模型，依據(jù)真實(shí)世界中mcr-1的消退速度估算其適應(yīng)性代價(jià)。結(jié)果顯示，真實(shí)世界的數(shù)據(jù)（生長速率比無mcr-1菌株慢76.2%。圖中黑點(diǎn)）與上述在實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)（生長速率比對照菌慢73.8%。圖中紅色虛線）非常吻合。
綜上所述，該研究闡明在沒有多粘菌素抗性選擇壓力下mcr-1流行率會(huì)下降，且可以基于群體遺傳學(xué)模型估算mcr-1流行率下降的速率。同時(shí)，該研究還揭示當(dāng)耐藥基因具有較高且無法被簡單突變消除的適應(yīng)性代價(jià)時(shí)，可以通過限制相應(yīng)抗生素的使用來控制甚至逆轉(zhuǎn)耐藥性（如下圖）。該論文研究結(jié)果為遏制耐藥性的傳播及相關(guān)政策的制定提供了新思路。
中山大學(xué)楊建榮教授、田國寶教授和陳小舒教授為共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員郭梓妍同學(xué)、馮思源副教授、梁露潔博士和吳卓幸博士為文章的并列第一作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/S2666-5247(24)00052-1
