アンピシリンによって誘導される大腸菌の耐性機構実験室でアンピシリンによって誘導される大腸菌の耐性機構

はじめに

病原性大腸菌は、下痢、敗血症などの臨床症状を引き起こすことが多く、依然としてヒトおよび動物の健康に影響を及ぼす主要な腸病原体の一つである。 半合成β-ラクタム系抗生物質であるアンピシリン(AMP)はヒトや家畜の大腸菌感染症の治療に広く用いられているが,最近では耐性率が高まっている。1-3AMPは細菌の細胞壁の統合を禁じる細菌の活動的な複製の段階で動作します。 細菌はしばしば、β-ラクタマーゼをコードし、細胞壁の標的タンパク質を変化させ、外膜の透過性を低下させ、薬物流出ポンプの発現を増加させる。 抗菌薬は動物によって使用され、排泄物を介して環境に広がり、環境を汚染するだけでなく、人間の健康と繁殖産業の持続可能な発展に大きな害をも4,5

全ゲノム配列決定(WGS)は、細菌抵抗性の予防と制御を導くことが示されている。6一塩基多型(SNP)は、主にゲノムレベルでの一塩基の変化によって引き起こされるDNA配列多型を指し、異なるSnpをスクリーニングするための再配列解析は、より直接的に薬剤耐性を研究することができる。 AMP実験室誘導法を用いて生物における臨床抗生物質のプロセスをシミュレートし,薬剤耐性の程度と変異部位との関係を検討した。 薬剤耐性株における非SNPの役割を理解するために、薬剤耐性株と感受性株の間の非同義一塩基多型(非SNP)のスクリーニング。 本研究の目的は,大腸菌の薬剤耐性の法則とメカニズムを理解し,新しい抗生物質の開発のための新しいターゲットを提供し,抗生物質の合理的な使用を行い,臨床診療における大腸菌の多剤耐性の多重発生と治療を解決することである。

材料および方法

細菌分離株および試薬

この研究で使用された大腸菌株(E.coli)。 coli15743)は、2015年に中国河南省水仙市の病院の患者の便標本から単離された。 カービー-バウアー(K-B)紙拡散法によるこの株のキャラクタリゼーションは、株が20抗生物質の八クラスに敏感であったことを示した。 大腸菌ATCC2 5 9 2 2を本発明者らの研究のための対照として使用した。M−Hブイヨン培地およびM−H固体培地(Oxoid company、UK)、医薬品感受性紙(Hanguju Binhe microbial company、Hanguju、China)、AMP標準製品(Chinese drug identification Institute、Beijugu、China)、DNA抽出キット(Shanguhil Refeng Biotech company、China)。 上海リンゲンバイオテクノロジー有限公司で行われました。 (株)エヌ-ティ-ティ実験で使用した大腸菌は、この研究のために特異的に単離された。

この研究は鄭州大学の生命科学倫理委員会によって承認され、患者は書面によるインフォームドコンセントにも署名した。

誘導プロセス

最小阻害濃度(MIC)は、マイクロブロス希釈法によって決定されました。7-9AMPに感受性である大腸菌(臨床的およびMIC値を有する)の株をMH固体培地で培養し、37°C培養18-24時間後、細菌の増幅のために8mL M-H液体培地で単 上記の細菌溶液は、それぞれ1/2MIC AMPを含むM-H液体培地で培養し、ampの濃度は継代培養プロセス中に連続的に増加した。 抗生物質の濃度が16μ g/mLに達したとき、8μ g/mLは毎回増加し、各濃度は二度継代培養された。 薬物のMIC変化の値が誘導前後のmicの四倍以上である場合,誘導後のMIC変化は有意な意義を有すると考えられた。抗生物質を含まないM−Hブロスの培養培地を、全プロセス中の対照として使用した。

Eの多焦点シーケンスタイピング(MLST)。 coli株は,adk,fumc,gyrb,icd,mdh,pura,recaを含むハウスキーピング遺伝子の七対によって分類された。

感受性試験

Kirby Bauer紙拡散法は、アミノグリコシド、ペニシリン、セファロスポリン、テトラサイクリン、β-ラクタマーゼ阻害剤、カルバメート、スルホンアミド、およびキノロンを含む抗生物質の八種類に敏感であった大腸菌をスクリーニングするために使用されました。 誘導株を薬物感受性試験を用いて繰り返した。 データの解釈は、Clinical and Laboratory Standards Institute2016ガイドラインに従って実施した。11

まず、AMPに対する大腸菌抵抗性を誘導し、AMPの濃度を徐々に増加させながら大腸菌を培養することにより、AMPの濃度を徐々に増加させた。(2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, および2 5 6μ g/ml)。 我々は耐性株を得た後、我々は、薬物感受性試験を行うことにより、誘導株(大腸菌15743-256、256μ g/mLで誘導)と元の株(大腸菌15743)との間の20抗生物質の耐性スペクトルを比 細菌懸濁液を寒天プレート上に広げ、異なる抗生物質を含む小さな円形の小片の紙で、37℃で16-20時間培養した。 抗菌リング直径を測定した。

WGSおよび再配列解析

MIC値32および256の株は、それぞれE.coli15743-32およびE.coli15743-256と命名された。 一次感受性株について全ゲノム解析を行い,誘導耐性株について再配列を行った。 再シーケンスの結果を元のマップの結果と比較した。 蛋白質機能に影響を与えるかもしれないnon-Snpを選別します。

配列決定はShanghai ling’en Biotechnology Co.によって行われた。 (株) (上海、中国)。 Illumina Hiseqと第三世代の配列決定技術を組み合わせて、このプロジェクトの株のゲノム配列決定を完了するために使用されました。

RT-PCR

逆転写DNAを4℃の冷凍庫から取り出し、指示に従って所望の濃度の試薬を調製する。 ABI Fast7500の電源を入れ、95°Cを30秒に設定し、40サイクル、95°Cを3秒、60°Cを30秒に反応させ、95°Cを15秒、60°Cを60秒、95°Cを15秒に溶解します。 サンプルを8列EPチューブに追加し、サンプルごとに3つの複製ウェルを追加し、遠心分離によって気泡を除去します。 各試料の平均CT値は、反応が完了した後に記録された。 目的の遺伝子の相対的発現レベルは、2−Δ Δ CTを用いて計算した。 (Δ CT=標的遺伝子のCT値−内部参照遺伝子のCT値。 Δ Δ CT=実験サンプルΔ CT−対照群Δ CT。)

バイオインフォマティクス解析

SWISSモデルソフトウェアは、遺伝子変異の前後にコードされたタンパク質のアミノ酸配列を分析し、タンパク質12,13

統計分析

SPSS17.0は、単純な線形回帰分析のために使用され、回帰方程式をテストしました。 試験のサイズは0.05(α=0.05)であった。

結果

薬物感受性試験結果

我々のデータは、大腸菌15743が20種類の抗生物質に感受性であることを示した。 誘導後、E. 大腸菌15743-256は、AMP、ピペラシリン、セフロキシム、セファゾリン、セフォキシチン、AMP/スルバクタム、アモキシシリン/クラブラン酸、ピペラシリン/タゾバクタム、およびアズトレオナムに耐性があったが、残りの11の抗生物質には依然として感受性であった(表1、仲介者も薬剤耐性として定義されていたことに注意)。 我々の結果は、元の感受性大腸菌は、AMPに対して耐性が誘導されただけでなく、他の抗生物質の様々な耐性が誘導中に多剤耐性になったことを示した。表1大腸菌の抗菌リング直径

表1大腸菌の抗菌リング直径


表1大腸菌の抗菌リング直径

表1大腸菌の抗菌リング直径

誘導中の薬剤耐性の発生(mic値によって決定)

薬剤耐性の動態を研究するために、異なる期間にわたってampの濃度を増加させた大腸菌を培養し、表2に示すように各濃度でmicを測定した。 回帰分析は、SPSS17.0を使用してMIC値および誘導時間について実施した。 回帰式はy=1.0435lnx−0.7316であった。 式のフィッティング効果を評価し、R2=0.9605、P<0.05。 32μ g/mLに達するMIC値は臨界値であり、MIC値は後よりも32μ g/mLに達する前に速く増加した(表2)。P>

表2EのMIC値。 一方、MIC値が32μ g/mL以下の部分を回帰分析のために選択し、回帰式はy=0.0358x+1.2812であった。 式のフィッティング効果を評価し、R2=0.991、P<0.05。 大腸菌15743のMIC値は、誘導濃度および誘導時間の増加とともに増加した(図1)。

図1時間の経過とともにMIC値の変化。略称は”MIC”、”minimum inhibitivecentration”。

MLST結果

誘導株(大腸菌15743-256)が実際に元の株(大腸菌15743)に由来したことを示すために、我々は上記の二つの株のMLSTを行った。 細菌DNA抽出キットによりゲノムDNAを抽出し、PCR増幅し、Sangon Biotech(Shanghi)Coにより配列決定した。 (株)エヌ-ティ-ティ NCBIデータベースのblast検索は、これら2つの株が同一のMLST型、adk−1 3、FUMC−3 6 3、GYRB−3 0 2、icd−9 7、mdh−1 7、PURA−9 4、およびRECA−9 3を有することを示した。 我々のデータは、誘導プロセスが汚染されていなかったことを示し、耐性株大腸菌15743-256は、感受性株大腸菌15743に由来した。全ゲノム解析

大腸菌15743には4408個の遺伝子、22rRNA、85tRNAが含まれていました。 遺伝子密度は0.945kbであり、GC含量は51であった。7%、遺伝子の割合は88.3%、遺伝子間領域の長さは545,151、遺伝子間領域のGC含量は42.6%、遺伝子間領域はゲノムの11.7%を占めた。 大腸菌15743ゲノムの特徴を図2にまとめました。 大腸菌15743プラスミドは含まれていませんでした。p>

図2大腸菌15743のゲノムマップ。注:サークルマップの最も外側の円は、ゲノムサイズのロゴであり、各スケールは0.1Mpです。 第二および第三の円は正および負の鎖上のCDSであり、異なる色はCDSの異なるCOG分類を示す。 第四の円はrRNAまたはtRNAである。 第五の円はGC含量であり、外側の赤い部分は、領域内のGC含量が全ゲノム平均GC含量よりも高いことを示している。 ピーク値が高いほど平均G c含有量との差が大きくなり、内側の青色部分は領域内のGC含有量が低いことを示す。 全ゲノム平均G c含量については、より高いピークは平均G c含量とのより大きな差を示す。 最も内側の円はGCスキュー値です。 値が生物学的意味で正である場合、正の鎖はCDSを転写する傾向がある。 それが負の場合、負の鎖はCDを転写する傾向があります。略称:COG、Orthologous Groupsof蛋白質の集り。

株のゲノムマップは、正義とアンチセンスの鎖上の遺伝子の分布、タンパク質(COG)、GC含量、ゲノム島、および完全にゲ

COG

EのCOGの機能的分類。 大腸菌15743は、ほとんどの遺伝子がアミノ酸輸送と代謝、炭水化物輸送と代謝、エネルギー産生と変換、一般的な機能予測のみ、無機イオン輸送と代謝、および細胞包絡線の生物形成に関連していることを示した(図3)。

図3大腸菌15743のCOGの機能的分類。略称:COG、蛋白質のOrthologousグループの集り。

非SNPs

元の株の誘導後に大腸菌のゲノムに変化があったかどうかを判断するために、誘導された耐性株(大腸菌15743-32および大腸菌15743-256)のゲノムワイドシーケンシングを行った。突然変異の数および突然変異の部位を分析した。元の大腸菌株(E.coli15743)と比較して、遺伝子orf00819、orf01200、およびorf02235に存在する3つの共有非Snpを含む、2つの誘導された薬物耐性株に9つの非Snpがあった。

他の非Snpは、遺伝子orf0 1 9 1 6、orf0 0 4 9 0、orf0 3 4 7 9、orf0 4 0 9 4に存在した。 三つの非SNPs変異はorf03479遺伝子で発生し、唯一のSNP変異は、残りの遺伝子のそれぞれに発生しました。 三つの非Snpは、細胞膜タンパク質をコードする遺伝子であった。 三つは、未知の機能を持つ遺伝子であった。 一つは無機イオンの輸送と代謝に関連しており、一つは転写に関連しており、一つはシグナル伝達機構に関連していた(表3)。

表3大腸菌15743-32およびEの非SNPs解析結果。大腸菌15743-256

私たちのデータは、大腸菌15743-32に四つの遺伝子にあった四つの非snpがあったことを示しました。 大腸菌15743-256には8つの非Snpがあり、6つの遺伝子に広がっていました。 COGの機能分類では,ほとんどの遺伝子がアミノ酸輸送と代謝,炭水化物輸送と代謝,エネルギー産生と変換,一般的な機能予測のみ,無機イオン輸送と代謝,細胞エンベロープ生物形成に関連していることが示された。

RT-PCR

全ゲノム再配列決定大腸菌15743-32および大腸菌15743-256、コンセンサス遺伝子の蛍光リアルタイム定量PCR検出。 非Snpが発生する遺伝子をスクリーニングし、大腸菌15743-32およびE.coli15743-32およびE.coli15743-32をスクリーニングした。 大腸菌1 5 7 4 3−2 5 6は3つの同一の遺伝子(orf0 0 8 1 9、orf0 1 2 0 0、orf0 2 2 3 5)を有しており、各世代株におけるこれらの遺伝子の発現レベルをそれぞれ図4A〜Cに示す。

図4異なる世代の株におけるmRNA発現の結果。RT-PCRは、orf01200、orf00819、orf02235遺伝子が耐性株(大腸菌15743-32、E.coli15743-32、E.coli15743-32、E.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、e.coli15743-32、 大腸菌15743-64、大腸菌15743-128、大腸菌15743-256)。

タンパク質構造予測

遺伝子orf01200およびorf04094によってコードされるタンパク質でのみ三次構造が変化し、予測結果を図5および図6に示す。

図5orf01200遺伝子によってコードされるタンパク質の三次構造。注:(a)突然変異の前;(B)突然変異の後。

図6orf04094遺伝子によってコードされるタンパク質の三次構造。注:(a)突然変異の前;(B)、突然変異の後。

orf01200、2hrtの変異の前に。1.Aを基準鋳型タンパク質として選択した(図5A)。 残りのインフラストラクチャのモデル範囲は2-1033であり、配列の類似性は0であった。59、テンプレートカバレッジは1.00でした。 Orf01200の突然変異の後、1iwg。1.Aを基準鋳型タンパク質として選択した(図5B)。 残りのインフラストラクチャのモデル範囲は7-1036であり、シーケンスの類似性は0.59であり、テンプレートカバレッジは1.00であった。orf04094、4ctiの変異の前に。

1.Bを参照鋳型タンパク質として選択した(図6A)。 残りのインフラストラクチャのモデル範囲は184から436であり、シーケンスの類似性は0.56であり、テンプレートカバレッジは0.59であった。 Orf04094の変異後、3ib7.1。Aを基準鋳型タンパク質として選択した(図6B)。 残りのインフラストラクチャのモデル範囲は10-262であり、シーケンスの類似性は0.33であり、テンプレートカバレッジは0.91であった。

議論

MICと誘導時間の回帰分析は、外因性抗生物質圧力と誘導時間の増加とともに株のMIC値が増加することを示した。 Liuらは、イミペネムによる大腸菌抵抗性の誘導中に、MIC値が時間とともに増加することを示した。14誘導濃度が一次株のMIC値の128倍に達した場合でも、誘導は継続され、MIC値は誘導とともに増加し続けた。 この研究の結果と一致して、大腸菌のMIC値は時間および誘導濃度とともに増加した。 これは、用量が限定されない場合、株の抵抗性がますます深刻になることを示している。

AMPを大腸菌15743に63時間誘導し(MICは32μ g/mLに達した)、MIC値は感受性株の8倍であった。

AMPを大腸菌15743に63時間誘導した(MICは32μ g/mLに達した)。

これに先立ち、MIC値は急速に増加したが、32μ g/mLのMIC値に誘導すると、誘導は継続し、MIC値の成長速度は減少した。 細菌耐性を考慮すると、薬剤耐性閾値(32μ g/mLのMIC値)に達する直前に起こり得る。 臨界値に達した後、細菌は怠惰であり、ゆっくりと成長するかもしれないが、MIC値は増加し続けている。 また、この株は、特定の耐性機構を活性化し、細菌の薬剤耐性状態を変化させると考えられている。

Zhangらは、クロラムフェニコールが感受性赤痢菌を薬剤耐性状態に誘導し、その薬剤耐性スペクトルが変化することを示した。その結果、赤痢菌はクロラムフェニコールに耐性があるだけでなく、他のタイプの抗生物質にも耐性がありました。 この研究の結果と一致して、大腸菌の薬剤耐性スペクトルは、誘導後に増幅された。 その結果、E. 大腸菌15743-256は、AMPに耐性があるだけでなく、ピペラシリン、セフロキシム、セファゾリン、セフォキシチン、AMP/スルバクタム、アモキシシリン/クラブラン酸、ピペラシリン/タゾバクタム、およびアズトレオナムにも耐性があった。 AMPによる大腸菌の誘導の間に,Acrab-Tolcの発現系が活性化されるか,または複数の流出ポンプ系のうちの複数が活性化されると考えられ,流出機構以外の抵抗機構がある。

細菌抵抗性の分子機構はまだ不明である。 Eの特異的な分子機構を調べるために。 AMPに対する大腸菌耐性、細菌WGS分析を行った。 配列決定結果を参照配列と比較し、2 0個のSnpをe.coli1 5 7 4 3−3 2の配列からスクリーニングしたが、そのうちの4個は非同義Snpであった。 二十から六Snpは、大腸菌15743-256株からスクリーニングされた、そのうちの八は非同義Snpであった。 Xiangらは、変異株の耐性レベルが非変異株の耐性レベルよりも高く、点突然変異と細菌耐性レベルとの間に定量的反応があり、複数の遺伝子変異が抗生物質に対する細菌の耐性を高めることができることを示した。15本研究の結果と一致して、大腸菌15743-32における変異遺伝子の数は、大腸菌15743-256よりも少なく、変異の数が薬剤耐性の程度に関連している可能性があり、変異部位が多ければ多いほど薬剤耐性の程度が高いことを示している。配列決定後、この実験でスクリーニングされた非Snpは、orf0 0 4 9 0、orf0 0 8 1 9、orf0 1 9 1 6、orf0 1 2 0 0、orf0 2 2 3 5、orf0 3 4 7 9、およびorf0 4 0 9 4の遺伝子に分布した。</p><p>配列決定後、この実験でスクリー これらのうち、遺伝子orf00490、orf00819、およびorf01916は、細胞壁合成に関与している。 KEGGの注釈は、それぞれフマル酸レダクターゼサブユニットD(frdD)、細胞分裂タンパク質ftsI(ペニシリン結合タンパク質3)およびポリン外膜タンパク質OmpDである。 研究は、frd遺伝子がフマル酸レダクターゼとコハク酸デヒドロゲナーゼの間の変換を触媒するFRD酵素をコードすることを示している。また、プラスミドベクターを用いたFRDD遺伝子の増幅がコハク酸の収率を増加させることができることが見出されている。17,18この研究と組み合わせて、frdD遺伝子は、おそらくAMP抵抗性に関連する特定の代謝経路に関与していると考えられている。 大腸菌では、β-ラクタム抗生物質の主な標的は、PBP1(細胞形態を維持する)、PBP2(大腸菌の張力および棒状を維持する)、およびPBP3(細菌分裂に関連する)である。 PBP3は、細胞分裂中に細胞壁ペプチドグリカンの架橋を触媒する細胞分裂タンパク質のコアコンポーネントです。19-22の研究では、細菌バイオフィルムにおけるOmpDタンパク質およびOmpD遺伝子発現のダウンレギュレーションは、細胞膜透過性の低下および抗生物質への抵抗性の増加をもたらすことが示されている。23,24本研究の結果と一致して、OmpD遺伝子変異は、β-ラクタム抗生物質に対する細菌耐性のメカニズムを開始し、大腸菌の細胞膜透過性の低下は、AMPに対する耐性の増加の理由の一つである。 細胞壁合成に関与する遺伝子によってコードされるタンパク質の機能のこれらの変化は、AMPに対する細菌の耐性に影響を与えると考えられている。

遺伝子orf04094、orf01200、orf02235は、浸透圧センサーヒスチジンキナーゼ(envZ)、多剤流出ポンプ遺伝子(acrB)、および転写調節(marR)に関与する多剤耐性タンパク質としてKEGGで注釈されている。 近年、活発な流出のメカニズムは細菌の多数の薬剤抵抗性の主な理由です。25-27排水システムのほとんどは基質を広く輸送し、多くの活性排水システムは同じ細菌に存在する可能性があるため、このシステムは完全に異なる構造を有する様々な抗菌薬に対する細菌耐性、すなわち多抵抗性につながる可能性がある。 Marlen Adlerの研究では、ftsI遺伝子のみの変異は抗生物質耐性を増加させなかったが、ftsI遺伝子およびenvZ遺伝子の変異は抗生物質のMICを複数回増加させた。 Cohenらは,変異Marr遺伝子によってコードされる阻害性蛋白質の機能が低下することを示し,marr変異のみを検出した場合,抗生物質の多重抵抗性に対する細菌の影響は小さいことを示した。28Merricらは、MarR遺伝子が変異したときに大腸菌が低レベルの多剤耐性のみを示したことを見出した。この研究の結果は、複数の遺伝子が同時に変異し、AMPに対するe.coli耐性が増加することを示した。

遺伝子orf03479はKEGGのバリングリシンリピートG(VgrG)タンパク質として注釈されています。 タイプVI分泌系(T6SS)は、大腸菌、緑膿菌、およびBurkholderia cenocepaciaなどの多くの細菌病原体に存在するファージ関連系である。 エフェクター因子は細菌の細胞外に分泌することができ,蛋白質分泌系は病原性細菌の病原性と密接に関連している。 王Jianfengらは、VgrG遺伝子変異は、細菌の毒性や薬剤耐性に影響を与えることを示したが、グルタミン酸バリンリピートタンパク質の機能はまだ不明です。この研究では、VgrG遺伝子がAMP抵抗性と関連している可能性があり、その機構はさらなる調査が必要であると考えられている。

要約すると、これらの変異遺伝子のCOG機能は、細胞膜の起源、無機イオンの輸送および代謝、転写およびシグナル伝達機構に関連している。 研究によると、抗生物質ストレス下では、細菌は生存を確実にするために能動的防御と受動的防御の両方を取ることができることが示されている。31受動の防衛では、細菌はそれ自身を休眠させ、生命の活力を減らし、抗生物質の殺害の効果を減らすために抗生物質およびターゲットの組合せを妨げま 活動的な防衛では、それらは抗生物質の流出を高め、それにより細菌に対する抗生物質の殺害の効果を減らす細菌の抗生物質の蓄積を、減らすため この研究は、AMPに対する大腸菌の耐性が、能動的防御システムと受動的防御システムの組み合わせであることを示唆している。 薬剤耐性は、細菌のMIC値が薬剤耐性閾値に達する直前に起こり得る。 遺伝子frdd、ftsi、acrb、Ompd、marr、Vgrg、およびenvvzはAMP抵抗性と関連している。 これらの研究は、β-ラクタム抗生物質に耐性のある大腸菌の分子機構を改善し、多剤耐性菌の予防と制御と新しい抗生物質の標的のための研究基礎を提供するのに役立ちます。

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