ICESa2603家族可移动遗传元件介导猪链球菌ermB/tetO基因水平传播的分子机制

Horizontal gene transfer could conceivably have played a role in the rising incidence of resistance in bacterial group. It has been appreciated that integrating and conjugative elements (ICEs) are important vectors for disseminating chromosome-derived genes conferring resistance to antibiotics. To date, our understanding of ICE evolution in Streptococcus suis is restricted to few reports of comparative ICE genomics as well as limited studies about its effects on virulence factors transmission, thus consequently understanding of ICE evolution is only beginning to be unraveled. Based on our preliminary data we generated the hypothesis that ICE is the emerging mobile genetic elements which harbor ermB/tetO and mobilize horizontal transmission of ermB/tetO among streptococcal population. To prove the hypothesis we will focus on investigating the following scientific issues by using a series of molecular biological methods. 1) the distribution as well as popular features of ICE Sa2603-family among streptococcal population; 2) the mechanisms of ICEs excising from the chromosome, forming circular molecules and transfering via conjugation; 3) the regulation mechanisms of some regulators on ICEs horizontal transfer; 4) the possible roles of ICEs on fitness effects in Streptococcus suis. The study will shed lights on how ICESa2603-family in Streptococcus suis involved in mediating the horizontal transfer of ermB/tetO among streptococcal population, which has a far-reaching significance in controlling the spread of drug resistance.

耐药基因的水平传播是导致细菌耐药性迅速扩散的重要原因。研究表明整合性和结合性元件（ICEs）是介导细菌染色体源耐药基因水平传播的重要载体。目前有关猪链球菌ICEs的研究仅限于部分生物信息学分析数据及其对毒力因子水平转移的初步研究，尚有研究空间。申请者前期研究提示猪链球菌存在的ICEs可能是携带耐药基因ermB/tetO并介导其水平传播的新发性可移动遗传元件之一。基于此基础，本项目拟采用滤膜结合实验、构建ICEs捕获系统、转录组测序等先进的分子生物学技术，重点探讨猪链球菌ICESa2603家族ICEs-ermB/tetO在链球菌属细菌中的流行规律、自发切除环化并发生结合转移和调控的机制及其对宿主菌造成的体内外适应性代价，阐明猪链球菌ICESa2603家族ICEs介导耐药基因ermB/tetO广泛传播和引起宿主菌快速进化的机制，对控制猪链球菌耐药性水平传播具有深远的意义。

该项目针对近些年来猪链球菌对MLS-Tet类抗生素耐药率急速上升的现象展开相关研究，阐明了整合性和结合性元件（ICEs）在猪链球菌耐药基因ermB/tetO 水平转移中的作用及机制。通过对多年持续的耐药性监测数据分析，发现2005年开始，猪链球菌对四环素类抗生素的耐药率维持较高水平，从2011年开始，对MLS类抗生素的耐药率急剧上升，介导对四环素类耐药的基因主要是tet(O)和tet(M)；而对大环内酯类耐药的基因主要是erm(B)。进一步通过对我国分离猪链球菌和数据库中链球菌属基因组进行耐药相关可移动基因组分析，发现在整个链球菌属中广泛存在的3类主要的ICE元件：ICESa2603（Tn5252家族）、ICESsuTYPE2（ICESp1108家族）和ICESsuTYPE3（TnGBS2家族），与猪链球菌耐药相关的MGEs主要有ICEs、前噬菌体和串联MGEs；插入热点为rplL和rum位点。对猪链球菌和其它链球菌的rplL和rum位点MGEs分析提示猪链球菌可是其他链球菌MGE的存储库。比较ICEs组学分析显示获得/缺失和模块交换是MGEs多样化和进化的主要机制。ICESa2603-Tn5397元件介导猪链球菌耐药流行株基因型从tet(M)向erm(B)+tet(O)过渡。同时该研究首次证实携带erm(B)+tet(O)的ICESa2603家族ICEs可以从非2型猪链球菌（21型）转移到2型猪链球菌中，并且可以从猪链球菌转移到粪肠球菌中，对获得ICE和IME后的受体菌进行体外生长、体外竞争和稳定性试验，初步证实携带erm(B)+tet(O)的不同ICE/IME元件对菌株的生长和适应性几乎不存在影响。通过比较自然状态和不同抗生素及氧化胁迫对ICE的切除环化、int基因表达和接合转移频率的差异，筛选了促进ICE水平转移的影响因素，证实抗菌药物和氧化损伤在携带耐药基因的ICE的水平转移中存在重要作用。上述结果最终证实了该项目的科学假设，即ICE元件因具有种内、种间水平转移的能力，并在抗菌药选择性压力和氧化应激共同作用下，促进MLS-Tet类耐药基因的水平扩散，导致猪链球菌对MLS-Tet类抗生素的耐药率急剧上升。因此合理选用附加作用小的抗菌药物和减少抗菌药使用是减缓和控制耐药性产生和传播的重要手段。该项目结果可为国家制定相关兽用抗菌药物管理政策提供理论依据。