抗生素耐药性上升的罪魁祸首——被忽视的跳跃基因

时间：2022-04-06 00:00:00 来源：网络整理

杜克大学(Duke University)的生物医学工程师认为，他们已经发现了导致高剂量抗生素促进抗生素耐药性在细菌之间传播的物理机制。

他们说，罪魁祸首是过多的“跳跃基因”，即转座子，它携带着从细胞源代码到穿梭于细胞之间的质粒的抗性遗传指令。

该研究结果发表在3月28日的《Nature Ecology & Evolution》杂志网络版上。

“有很多证据表明，人类病原体可能从生活在自然环境中的其他物种那里获得抗生素耐药性，”杜克大学生物医学工程教授Lingchong You说。“从直觉上看，在这些环境中，高水平的抗生素促进了抗性基因从染色体到质粒的跳跃，从而使它们能够传播，这是有道理的，但其潜在机制从未被直接测试过。这就是我们工作的意义所在。”

众所周知，人类病原体中抗生素耐药性的上升与农业和制造业等大规模工业活动中抗生素使用的增加同时发生。虽然对这些病原体产生抗性的基因似乎是相对较新的，但有些基因可以追溯到数百万年前生活在某些野生生态系统中的细菌。再加上实验表明，高水平的抗生素促进了细菌物种内部和物种之间的耐药性传播，很容易得出这样的结论:由于环境中的抗生素水平不断增加，人类病原体从环境中获得了这些耐药性基因。

You教授说，虽然因果关系似乎很清楚，但研究从未确定其潜在机制。科学家们知道，被称为质粒的小而自由漂浮的DNA束携带着细胞之间的抗性基因。然而，You自己的研究表明，抗生素的存在并不会增加质粒进行这些基因交换的速度。那么，研究人员问，推动这种自然选择的根本力量是什么?

在新发表的论文中，You和他的博士后Yao Yi指出，这种神秘的机制可能是抗生素介导的对“跳跃基因”(称为转座子)的选择，转座子将抗性基因从细胞的染色体带到质粒。

“Yi的实验旨在测试这一可能的途径，它解释了不同的病原体是如何从环境物种中获得耐药性的，”You说。“他证明了这不仅是可能的，而且非常有可能。”

转座子是微小的DNA片段，经常在细胞内部跳跃。它们可以在细胞的中央基因数据库中从一个地方跳到另一个地方，也可以从DNA数据库跳到能够在细胞之间移动的更大的质粒，或者反之亦然。这可能导致染色体或质粒包含相同基因蓝图的许多副本。

在一系列的实验中，姚将对各种抗生素有抗药性的细胞暴露在一定浓度范围内的抗生素中。随着浓度的增加，总有那么一个点，携带有更多抗性基因拷贝的质粒的细胞开始在竞争中胜出。

“所有的曲线看起来几乎一模一样，”You说。“这一趋势如此强劲，实际上令人惊讶。”

研究人员说，质粒上转座子的拷贝数量会影响细胞产生多少抗生素抗性蛋白质。这种生产是以消耗能量为代价的，直到抗生素的量达到一定水平，额外消耗的能量才成为一种有价值的特性。

然而，尚不清楚较高水平的抗生素是否直接导致这些细胞内的耐药转座子变得更加活跃。相反，它表明，如果转座子跳跃已经发生，抗生素选择总是会使含有跳跃到质粒的抗性基因的种群更加丰富。

研究人员说，开始驱动这种选择所需的抗生素水平在物种和特定药物之间有很大差异。但这种范围在今天的自然环境中并不少见，这可能为人类病原体更有规律地获得抗性基因提供了必要的压力。

“我们现在正在努力证明，这种动态是在真实的环境中积极发生的，比如医院，而不仅仅是在培养皿中，”You说。“我们也想知道，我们是否可以利用这一知识，有选择地调节基因流，以优化为工业用途而设计的细菌。”

Intra- And Interpopulation Transposition Of Mobile Genetic Elements Driven By Antibiotic Selection

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