6月28日，中国农业大学动物医学院沈建忠院士团队在《自然-通讯》（ Nature Communications）杂志在线发研究论文《转录调控因子VirBR促进碳青霉烯耐药质粒IncX3传播及其携带菌持留》（ VirBR, a transcription regulator, promotes IncX3 plasmid transmission, and persistence of blaNDM-5 in zoonotic bacteria）。该研究揭示了畜禽常用β-内酰胺类药物阿莫西林可以促进IncX3质粒在肠道持留，解析了新型转录调控蛋白VirBR促进IncX3质粒转移及其携带菌持留的内在因素，为防控碳青霉烯耐药肠杆菌科细菌（Carbapenem-resistant Enterobacterales, CRE）的流行与传播提供了科学参考与依据。
碳青霉烯类药物是人医临床治疗多重耐药革兰阴性菌感染的至关重要药物之一，但近年来CRE的出现严重影响了该类药物的治疗效果。更为严峻的是，碳青霉烯类药物并未被批准用于动物养殖业，但CRE在动物养殖业广泛流行，并能沿着食品链/环境媒介在动物和人群间传播，危害严重。产新德里金属β-内酰胺酶（New Delhi Metallo-β-Lactamase，NDM）是CRE流行的主要原因之一，编码该酶的blaNDM基因的最主要传播载体为IncX3质粒，该质粒具有低适应性代价和高转移效率的特征，极大促进了blaNDM的流行与传播。
该文章以携带blaNDM-5-IncX3质粒的鸡源大肠埃希菌为主要研究对象，构建了肉鸡肠道菌株定殖模型。研究发现，在无任何抗生素压力的情况下，携带blaNDM-5-IncX3质粒的大肠杆菌可长期持留在肉鸡肠道内，直至肉鸡上市。此外，畜禽常用β-内酰胺类药物阿莫西林可显著促进菌株在肉鸡肠道的定殖，并且发现blaNDM-5-IncX3质粒在肠道定殖过程中可以转移至肠道共生菌内，详见图1。
图1. blaNDM-5-IncX3质粒携带菌在肉鸡肠道长期持留
深入分析blaNDM-5-IncX3质粒序列，并运用基因敲除回补技术研究发现，敲除该质粒编码的virBR基因后，IncX3质粒接合转移效率显著下降。进一步对敲除virBR基因的菌株进行动物肠道定殖模型探究，发现virBR敲除菌株在肉鸡肠道及小鼠肠道定殖能力显著下降，并且对大鼠小肠隐窝上皮细胞IEC-6及人结直肠腺癌细胞Caco-2的粘附能力显著下降，电镜观察敲除菌株接合菌毛数量显著减少，回补virBR基因后，上述表型均恢复，详见图2。
图2. VirBR对其携带菌生理功能影响
通过RNA-seq全局分析野生型菌株、virBR敲除菌株及virBR回补菌株发现，当回补过表达virBR基因时，IncX3质粒上的四型分泌系统（Type IV secretion systems, T4SS）相关基因virB/virD4出现显著上调，与野生株相比上调4-6倍。深入研究发现，virBR可以与T4SS基因簇上游actX基因的启动子结合，从而促进T4SS相关基因virB/virD4的转录，进而促进质粒接合转移效率及其携带菌在肠道定殖能力，详见图3。最后，通过对IncX质粒家族质粒序列比对，发现IncX1、IncX2和IncX5质粒中均存在VirBR的同源蛋白，并且上述质粒的T4SS相关基因virB/virD4 与IncX3质粒的T4SS序列高度同源，进一步探究发现上述质粒编码的VirBR同源蛋白同样也能够与actX基因的启动子结合，从而促进下游T4SS相关基因virB/virD4的表达，最终促进质粒接合转移。
图3. VirBR调控IncX3质粒转移及其携带菌定殖的内在机制
该研究通过分子生物学手段与体内试验外验证相结合的方式，初步揭示了IncX3质粒流行的分子机制，为防控CRE的流行与传播提供科学参考与依据。
中国农业大学博士后马藤菲和谢宁为论文第一作者，沈建忠院士、汪洋教授和牛津大学Timothy R. Walsh教授为论文共同通讯作者。该研究受国家自然科学基金专项项目“重要耐药菌/耐药基因在“动物-环境-人群”链条中的传播机制和风险研究”（32141002）等项目资助。
供稿：动物医学院
供图：动物医学院
编辑：李杨
责编：马文哲
来源：中国农业大学
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