大肠杆菌cAMP-CRP途径调控1型整合子中抗生素耐药基因表达的机制研究

The aggravating antimicrobial resistance in bacteria has become one of the biggest threats to human’s health. The abuse of antibiotics is the primary reason for this problem. Antibiotics not only lead to adapted evolution in bacteria causing antimicrobial resistance, but also regulate mobile genetic elements such as antimicrobial resistance gene-carrying integrons and lead to the spread of antimicrobial resistance genes. In this project, we aim to further our understanding on the impact of antibiotics from the perspective of how antibiotics regulate the expression of antimicrobial resistance genes in integrons. Based on our previous findings that antibiotics can induce the expression of antimicrobial resistance genes in integrons, that antibiotics can induce the cAMP-CRP pathway, and that the promoter of the antimicrobial resistance gene cluster carry a binding site for CRP, we will further analyze the impact of antibiotics on the physiology of Escherichia coli, identify the mechanism by which the cAMP-CRP pathway regulates the expression of antimicrobial resistance genes in integrons, and identify the mechanism by which antibiotics regulate the cAMP-CRP pathway. Based on these investigations, we will establish a mechanistic model on how antibiotic signals regulate the expression of antimicrobial resistance genes in integrons, and perform preliminary investigation on this model. This work will further our understanding on the mechanism by which antibiotics regulate antimicrobial resistance, and provide the theoretical basis on the control of antimicrobial resistance.

细菌中日益严重的抗生素耐药性已经成为人类面临的最大健康威胁之一。抗生素的滥用是造成这一问题的主要原因。抗生素不仅可以促进细菌定向进化产生耐药性，还可以通过对载有抗生素耐药基因的整合子等可移动遗传因子进行调控来促进耐药基因传播。在本项目中，我们将从抗生素如何调控整合子中耐药基因表达的角度深化对抗生素影响的认识。在本项目组发现抗生素能够诱导整合子中耐药基因表达、抗生素能够诱导cAMP-CRP途径、以及整合子中耐药基因簇启动子有CRP结合位点的研究基础上，我们将进一步分析抗生素对大肠杆菌生理的影响，确定cAMP-CRP途径调控整合子中耐药基因表达的机制，并鉴定抗生素调控cAMP-CRP途径的机制。在此基础上，我们将确定抗生素信号通过cAMP-CRP途径调控整合子中耐药基因表达的机制模型并进行初步验证。本研究将使我们深化对抗生素诱导调控抗生素耐药性的机制的认识，并为抗生素耐药性的控制提供理论基础。

细菌的抗生素耐药性是人类健康的重要威胁，能够直接导致抗生素这一人类应对细菌感染的主要药物的失效。整合子能够携带含有多个抗生素耐药基因的基因盒，并且具有在细菌之间进行移动，扩散抗生素耐药性的可能性。在前期工作基础上，项目组提出了I型整合子可能被cAMP-CRP途径所调控并且促进抗生素耐药性扩散的假设。基于这个假设，本项目开展了一系列研究工作，对水环境中的细菌中I型整合子的启动子种类进行了分析，鉴定到了四种Pc变体；构建了大肠杆菌Pc+Pint双向启动子报告株，大肠杆菌SOS反应、cAMP-CRP途径缺失株及回补株，并分析了Pc和Pint的表达关系，发现了两者的表达呈负相关，并发现了两者的表达水平受化学物质和温度的调控；通过进一步对Pint和Pc表达水平的分析，发现了Pint受到了SOS机制调控，且抗生素及cAMP-CRP途径均可以调控Pc的表达水平；进一步地，通过体外实验，项目组发现I型整合子中Pc启动子能够同CRP蛋白相结合，印证了cAMP-CRP途径可以调控Pc表达水平的假设；最后，项目组对弧菌中的超级整合子的Pc进行了研究，发现了超级整合子的Pc同样可以受到cAMP-CRP调控，且其表达水平受到了碳源调控。通过本项目的上述研究，项目组对I型整合子中的抗生素耐药基因表达调控因素及其分子机制进行了深入、全面的研究，初步解析了I型整合子Pc启动子的调控分子机制，为进一步理解自然界中抗生素耐药基因通过整合子的传播奠定了理论基础。