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寡養(yǎng)單胞菌膜孔蛋白D0Y85_RS06780對(duì)細(xì)菌抗生素耐藥性的作用研究

2023-08-25 05:25:35劉亞豫任釗銳謝欣茹王禎王高揚(yáng)曹廣祥付加芳
中國(guó)抗生素雜志 2023年4期
關(guān)鍵詞:分子對(duì)接耐藥性

劉亞豫?任釗銳?謝欣茹?王禎?王高揚(yáng)?曹廣祥?付加芳

摘要:目的 探究寡養(yǎng)單胞菌Stenotrophomonas sp. G4菌株中膜孔蛋白D0Y85_RS06780對(duì)抗生素耐藥性的作用。方法 通過(guò)氨基酸序列比對(duì)和同源建模預(yù)測(cè)D0Y85_RS06780蛋白的生物學(xué)功能;采用大腸埃希菌構(gòu)建D0Y85_RS06780基因的異源表達(dá)菌株,通過(guò)檢測(cè)抗生素MICs探討D0Y85_RS06780對(duì)細(xì)菌抗生素抗性的作用,同時(shí)分析外排泵抑制劑對(duì)D0Y85_RS06780功能的影響;利用分子對(duì)接軟件Discovery Studio的CDOCKER技術(shù)分析D0Y85_RS06780與抗生素和外排泵抑制劑的結(jié)合情況。結(jié)果 同源分析表明D0Y85_RS06780為膜孔蛋白,異源表達(dá)D0Y85_RS06780導(dǎo)致重組大腸埃希菌具有多黏菌素和四環(huán)素抗性,外排泵抑制劑利血平能夠抑制其功能,分子對(duì)接顯示D0Y85_RS06780能結(jié)合多黏菌素、四環(huán)素和利血平。結(jié)論 Stenotrophomonas sp. G4菌株中膜孔蛋白D0Y85_RS06780與其抗生素耐藥性有關(guān)。本研究將為D0Y85_RS06780與抗生素耐藥性的關(guān)聯(lián)提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

關(guān)鍵詞:寡養(yǎng)單胞菌;膜孔蛋白;耐藥性;異源表達(dá);分子對(duì)接

中圖分類號(hào):R917文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Study on the effect of cell membrane porin D0Y85_RS06780

of Stenotrophomonas sp. on bacterial antibiotic resistance

Liu Ya-yu1, Ren Zhao-rui1, Xie Xin-ru1, Wang Zhen2, Wang Gao-yang1, Cao Guang-xiang1, and Fu Jia-fang1

(1 College of Biomedical Sciences, Shandong First Medical University & Shandong Academy of Medical Sciences, Jinan 250117;

2 School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101)

Abstract Objective To explore the effect of cell membrane porin D0Y85_RS06780 of Stenotrophomonas sp. G4 on bacterial antibiotic resistance. Methods Biological function of D0Y85_RS06780 was predicted based on amino acid sequence alignment and homologous modeling; D0Y85_RS06780 gene was heterologously expressed in Escherichia coli, and its effect on bacterial antibiotic resistance was determined through MICs; The effect of efflux pump inhibitors on D0Y85_RS06780 were also analyzed through antibiotic MICs; The molecular docking was carried out according to the CDOCKER protocol of Discovery Studio to determine whether D0Y85_RS06780 can bind antibiotics and efflux pump inhibitors. Results Homologous analysis showed that D0Y85_RS06780 is a membrane porin protein. Recombinant E. coli expressing D0Y85_RS06780 obtained polymyxin and tetracycline resistance, and the polymyxin resistance could be inhibited by the efflux pump inhibitor reserpine. Molecular docking revealed that D0Y85_RS06780 could bind polymyxin, tetracycline and the efflux pump inhibitor reserpine. Conclusion Cell membrane porin D0Y85_RS06780 of Stenotrophomonas sp. is associated with bacterial antibiotic resistance. This study provides experimental evidence for further research on antibiotic resistance mechanism of cell membrane porin D0Y85_RS06780.

Key words Stenotrophomonas sp.; Membrane porin; Antibiotic resistance; Heterologous express; Molecular docking

微生物通過(guò)多種機(jī)制產(chǎn)生耐藥性[1],其中,細(xì)菌主動(dòng)外排作用是其主要耐藥機(jī)制之一[2]。根據(jù)外排泵蛋白的氨基酸序列和能量利用可分為5大類:耐藥結(jié)節(jié)化細(xì)胞分化超家族(Resistance-nodulation-cell division,RND)、易化子超家族(Major facilitator superfamily,MFS)、多重耐藥及毒性化合物蛋白家族(multi antimicrobial extrusion,MATE)、耐多藥性家族(small multidrug resistance,SMR)和ATP結(jié)合盒超家族(ATP-binding cassette,ABC),這些外排泵廣泛存在于革蘭陽(yáng)性菌和陰性菌中[3-9]。研究顯示多數(shù)外排泵介導(dǎo)多重耐藥性,而部分外排泵具有底物特異性[10]。除外排泵蛋白外,革蘭陰性菌外膜還存在許多通道蛋白,親水性的溶質(zhì)和其他小分子物質(zhì)可以通過(guò)膜孔蛋白進(jìn)出細(xì)菌[11-12]。一方面,抗菌藥物通過(guò)膜孔蛋白進(jìn)入菌體將細(xì)菌殺死[13-14],另一方面膜孔蛋白也可能與多重耐藥密切相關(guān)[15],但膜孔蛋白與抗生素耐藥性的關(guān)聯(lián)尚有待深入闡釋。

嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)是重要的醫(yī)源性感染菌,在重癥患者和免疫缺陷患者中可引起致死性感染,其日益嚴(yán)重的多重耐藥性加劇了臨床治療難度(Brooke JS, 2017)[16]。Stenotrophomonas sp. G4菌株為本課題組前期分離獲得的一株多重耐藥菌,對(duì)多種抗生素表現(xiàn)為抗性,其中多黏菌素MIC值>128 mg/L[17]?;蚪M注釋顯示D0Y85_RS06780為膜孔蛋白,轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析表明多黏菌素壓力下D0Y85_RS06780轉(zhuǎn)錄水平顯著上升,但其與抗生素抗性之間的關(guān)系仍然未知。本研究通過(guò)構(gòu)建D0Y85_RS06780異源表達(dá)菌株,分析膜孔蛋白D0Y85_RS06780與細(xì)菌抗生素抗性之間的關(guān)聯(lián),可為闡釋膜孔蛋白參與抗生素耐藥機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 菌株

Stenotrophomonas sp. G4菌株為從污水中分離的多重耐藥菌[17],保存于本實(shí)驗(yàn)室。Escherichia coli DH5α菌株,購(gòu)自上海昂宇生物技術(shù)有限公司。D0Y85_RS06780的異源表達(dá)菌株R06780和P06780,為本研究構(gòu)建。

1.1.2 試劑和儀器

限制酶Hind Ⅲ和 Xba Ⅰ(北京Sibenzyme公司),pMD18-T載體(北京Takara公司),2×clone express(南京諾唯贊生物科技股份有限公司),Pfu DNA Polymerase(北京艾德萊生物科技有限公司),膠回收試劑盒(美國(guó)Omega公司),質(zhì)粒提取試劑盒(美國(guó)Omega公司)。多黏菌素、氟苯尼考、紅霉素、環(huán)丙沙星、卡那霉素、美羅培南、頭孢克肟、四環(huán)素、氨芐青霉素、羰基氰化物間氯苯腙、利血平、維拉帕米、N-甲基吡咯烷酮(麥克林公司)。MTH-100型恒溫混勻儀(杭州米歐儀器有限公司),P-800型酶標(biāo)儀ScanReady(杭州遂真生物技術(shù)有限公司)。

1.1.3 引物

根據(jù)Stenotrophomonas sp. G4菌株基因組(GenBank號(hào):CP031741.1)序列,通過(guò)BioXM2.6軟件設(shè)計(jì)引物序列。本研究所設(shè)計(jì)的引物序列及其擴(kuò)增長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 D0Y85_RS06780蛋白的同源分析

通過(guò)NCBI查找D0Y85_RS06780蛋白的同源序列,采用CLUSTALW軟件比對(duì)同源蛋白的氨基酸序列,利用ESPript 3軟件查看比對(duì)結(jié)果[18]。

1.2.2 D0Y85_RS06780自身啟動(dòng)子異源表達(dá)菌株的構(gòu)建

以G4菌株的基因組為模板,RS06780-F和RS06780-R為引物(表1),PCR擴(kuò)增D0Y85_RS06780基因含啟動(dòng)子的DNA片段。采用2×clone express重組酶將PCR片段連接至 pMD18-T載體,轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細(xì)胞,用氨芐青霉素篩選轉(zhuǎn)化子,提取重組載體進(jìn)行Hind Ⅲ和Xba Ⅰ酶切驗(yàn)證以及DNA測(cè)序驗(yàn)證,獲得異源表達(dá)D0Y85_RS06780基因(自身啟動(dòng)子)的R06780重組菌株。R06780重組菌株經(jīng)過(guò)Hind Ⅲ和Xba Ⅰ酶切驗(yàn)證、PCR驗(yàn)證及DNA測(cè)序驗(yàn)證。

1.2.3 D0Y85_RS06780大腸埃希菌啟動(dòng)子異源表達(dá)菌株的構(gòu)建

以G4的基因組為模板,以P06780-F和P06780-R為引物(表1),擴(kuò)增D0Y85_RS06780的基因片段;以pMD18-T載體為模板,AP-F和AP-R為引物(表1),擴(kuò)增β-內(nèi)酰胺酶基因的啟動(dòng)子片段;切膠回收后混合上述兩個(gè)PCR產(chǎn)物作為模板,以AP-F和P06780-R 為引物,采用Pfu DNA聚合酶擴(kuò)增融合基因片段,最后加Taq DNA聚合酶在72℃繼續(xù)反應(yīng)30 min,使PCR產(chǎn)物的末端加3'-A尾巴。通過(guò)T4 DNA連接酶將PCR產(chǎn)物連接至 pMD18-T載體,轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細(xì)胞,用氨芐青霉素篩選轉(zhuǎn)化子,提取重組載體進(jìn)行HindⅢ和XbaⅠ酶切驗(yàn)證以及DNA測(cè)序驗(yàn)證,獲得D0Y85_RS06780基因融合大腸埃希菌啟動(dòng)子的P06780重組菌株。P06780重組菌株經(jīng)過(guò)HindⅢ和XbaⅠ酶切驗(yàn)證、PCR驗(yàn)證及DNA測(cè)序驗(yàn)證。

1.2.4 肉湯微量稀釋法測(cè)定抗生素最低抑菌濃度(MICs)

R06780菌株和P06780菌株采用肉湯微量稀釋法測(cè)定抗生素MICs,測(cè)定方法根據(jù)臨床實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)研究所(CLSI 2018)指南所述[19]。抗生素包括多黏菌素、氟苯尼考、紅霉素、環(huán)丙沙星、卡那霉素、美羅培南、頭孢克肟和四環(huán)素。同時(shí)以攜帶pMD18-T載體的DH5α(18T)菌株作為對(duì)照。

1.2.5 抑制劑對(duì)抗生素MICs的影響

使用肉湯微量稀釋法測(cè)定抑制劑對(duì)抗生素MICs的影響,如臨床實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)研究所(CLSI 2018)指南所述[19]。抑制劑選擇羰基氰化物間氯苯腙(CCCP)、利血平、維拉帕米和N-甲基吡咯烷酮,首先用肉湯微量稀釋法測(cè)定P06780重組菌株對(duì)上述4種抑制劑的MICs,然后確定不影響P06780菌株生長(zhǎng)的供試濃度,然后在供試濃度條件下測(cè)定抗生素MICs,同時(shí)以不加抑制劑的P06780菌株作為對(duì)照。

1.2.6 D0Y85_RS06780蛋白與抗生素和抑制劑的分子對(duì)接

從SWISS MODEL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行蛋白同源建模[20],獲取核心靶蛋白結(jié)構(gòu),從Chemspider數(shù)據(jù)庫(kù)獲取抗生素和抑制劑小分子配體結(jié)構(gòu)式[21],用分子對(duì)接軟件Discovery Studio的CDOCKER技術(shù)對(duì)接靶蛋白與小分子配體,分析D0Y85_RS06780蛋白與抗生素和抑制劑分子之間的結(jié)合情況[22]。

2 結(jié)果

2.1 D0Y85_RS06780功能注釋與同源性分析

Stenotrphomonas sp. G4菌株的基因注釋顯示D0Y85_RS06780基因全長(zhǎng)1212 bp,編碼含402個(gè)氨基酸的蛋白。氨基酸序列分析顯示,D0Y85_RS06780與S. maltophilia K279a菌株中OprO和OprP膜孔蛋白的相似性分別為96.5%和30.4%(圖1),與Pseudoxanthomonas suwonensis 11-1菌株中OprO蛋白的相似性為69.1%,與Lysobacter sp. A03菌株中OprP蛋白的相似性為58%,說(shuō)明D0Y85_RS06780可能為OprO類型的膜孔蛋白。

2.2 D0Y85_RS06780異源表達(dá)菌株的抗生素MICs分析

通過(guò)PCR擴(kuò)增得到D0Y85_RS06780基因(含啟動(dòng)子區(qū))的DNA片段(圖2A),與pMD18-T載體連接獲得重組載體pMD-R06780(圖2B),最后轉(zhuǎn)到DH5α菌株構(gòu)建得到重組菌株R06780。同時(shí)通過(guò)重疊PCR獲得融合大腸埃希菌啟動(dòng)子的D0Y85_RS06780片段(圖2C),與pMD18-T載體連接獲得重組載體pMD-P06780(圖2D),構(gòu)建得到重組菌株P(guān)06780。

肉湯微量稀釋法檢測(cè)R06780和P06780重組菌株的抗生素MICs,結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示DH5α(18T)菌株的四環(huán)素MIC值為8 μg/mL,而P06780菌株(大腸埃希菌啟動(dòng)子)的四環(huán)素MIC值為

64 μg/mL,R06780菌株(自身啟動(dòng)子)的四環(huán)素MIC值為16 μg/mL,顯著高于攜帶pMD18-T載體的DH5α(18T)菌株,說(shuō)明異源表達(dá)D0Y85_RS06780會(huì)導(dǎo)致大腸埃希菌對(duì)四環(huán)素產(chǎn)生抗性。而P06780菌株(大腸埃希菌啟動(dòng)子)的多黏菌素和四環(huán)素MICs值分別為32 μg/mL和64 μg/mL,表明其對(duì)多黏菌素和四環(huán)素均具有抗性。此外,P06780菌株的多黏菌素和四環(huán)素MICs值顯著高于R06780菌株,提示采用宿主啟動(dòng)子可能更有利于D0Y85_RS06780在大腸埃希菌中表達(dá)。

2.3 抑制劑對(duì)P06780菌株抗生素MICs的影響分析

羰基氰化物間氯苯腙(CCCP)、利血平、維拉帕米和N-甲基吡咯烷酮是常用的外排泵抑制劑。本研究首先通過(guò)肉湯微量稀釋法測(cè)定了P06780菌株對(duì)這些外排泵抑制劑的MICs,確定0.1 μg/mL CCCP、

8 μg/mL利血平、8 μg/mL維拉帕米和8 μg/mL N-甲基吡咯烷酮不影響P06780菌株的生長(zhǎng),因此采用上述濃度作為供試濃度進(jìn)行抑制劑試驗(yàn)。抑制劑對(duì)P06780菌株抗生素MICs的影響見(jiàn)表3,在供試濃度下CCCP、維拉帕米、N-甲基吡咯烷酮對(duì)抗生素MICs值無(wú)顯著影響,而添加8 μg/mL 利血平時(shí)P06780菌株對(duì)多黏菌素的MIC下降為4 μg/mL,比不加抑制劑時(shí)的MIC值(32 μg/mL)明顯降低,說(shuō)明利血平能抑制D0Y85_RS06780蛋白對(duì)多黏菌素的抗性。文獻(xiàn)顯示利血平能夠抑制ABC家族和MFS家族外排泵的功能[23],提示D0Y85_RS06780可能通過(guò)發(fā)揮外排泵作用使細(xì)菌產(chǎn)生對(duì)多黏菌素抗性。此外,添加8 μg/mL 利血平時(shí)P06780菌株對(duì)四環(huán)素的MIC仍為64 μg/mL,與不加抑制劑時(shí)的MIC值(64 μg/mL)一致,提示利血平能不能抑制D0Y85_RS06780蛋白對(duì)四環(huán)素的抗性。

2.4 膜孔蛋白D0Y85_RS06780與抗生素的分子對(duì)接

CDOCKER分子對(duì)接顯示D0Y85_RS06780蛋白可以結(jié)合多黏菌素和四環(huán)素等抗生素分子(圖3)。分子對(duì)接結(jié)果顯示多黏菌素可結(jié)合D0Y85_RS06780蛋白的B環(huán)Ser-364、 Lys-104、Leu-129、Phe-120、Asn-102氨基酸殘基,四環(huán)素結(jié)合B環(huán)Leu-99、Val-76、Asn-102、Ser-131、Asp-100氨基酸殘基,表明膜孔蛋白D0Y85_RS0678可能具有運(yùn)輸多黏菌素和四環(huán)素的功能,與細(xì)菌的多黏菌素和四環(huán)素抗性有關(guān)。分子對(duì)接顯示外排泵抑制劑利血平也可以結(jié)合D0Y85_RS06780蛋白的B環(huán)和C環(huán) Leu-368、Phe-366、Val-103、Lys-104、Tyr-105、Ile-115氨基酸殘基,考慮到利血平可以顯著降低P06780菌株的多黏菌素MIC(表3),提示利血平可與多黏菌素競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合D0Y85_RS06780蛋白并抑制其運(yùn)輸功能。此外,D0Y85_RS06780蛋白與氟苯尼考、環(huán)丙沙星、卡那霉素、紅霉素、美羅培南和頭孢克肟等抗生素均不能成功對(duì)接,分子對(duì)接數(shù)據(jù)與上述抗生素MICs的結(jié)果一致(表2)。

3 討論

膜孔蛋白與抗生素耐藥性的關(guān)聯(lián)尚有待深入闡釋[24]。生物信息學(xué)分析表明Stenotrphomonas sp. G4菌株中D0Y85_RS06780蛋白為OprO類型的膜孔蛋白,已有的研究顯示假單胞菌中OprO膜孔蛋白與其多重耐藥性相關(guān) [25-26],提示D0Y85_RS06780可能與細(xì)菌的抗生素抗性有關(guān)。本文進(jìn)一步探討了Stenotrphomonas sp. G4菌株中D0Y85_RS06780膜孔蛋白與抗生素耐藥性的關(guān)聯(lián)。本研究表明異源表達(dá)D0Y85_RS06780時(shí)重組大腸埃希菌P06780的多黏菌素和四環(huán)素MICs值分別為32 μg/mL和64 μg/mL,表明D0Y85_RS06780介導(dǎo)了細(xì)菌的多黏菌素和四環(huán)素抗性。外排泵抑制試驗(yàn)分析顯示添加8 μg/mL利血平時(shí)P06780菌株對(duì)多黏菌素的MIC比不加抑制劑時(shí)明顯降低,提示D0Y85_RS06780可能發(fā)揮外排泵作用從而使細(xì)菌產(chǎn)生多黏菌素抗性。分子對(duì)接分析進(jìn)一步表明多黏菌素和外排泵抑制劑利血平均能結(jié)合D0Y85_RS06780蛋白上的Lys-104氨基酸位點(diǎn),上述結(jié)果表明Stenotrphomonas sp. G4中膜孔蛋白D0Y85_RS06780與細(xì)菌的多黏菌素抗性之間存在關(guān)聯(lián)。但分子對(duì)接顯示利血平與膜孔蛋白D0Y85_RS0678結(jié)合的氨基酸位點(diǎn)不同于四環(huán)素與D0Y85_RS0678結(jié)合的氨基酸位點(diǎn),與抑制劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果(利血平能不能降低D0Y85_RS06780蛋白對(duì)四環(huán)素的MIC值)一致,暗示D0Y85_RS0678雖具有四環(huán)素抗性但其抗性不能被利血平抑制。

P06780菌株(大腸埃希菌啟動(dòng)子)的多黏菌素和四環(huán)素MICs值均高于R06780菌株(自身啟動(dòng)子),提示膜孔蛋白D0Y85_RS06780的表達(dá)水平可能影響其對(duì)抗生素的抗性。此外,Stenotrphomonas sp. G4菌株的多黏菌素和四環(huán)素MICs值[17]與P06780菌株和R06780菌株均有較大差異,除膜孔蛋白D0Y85_RS06780在不同菌體內(nèi)表達(dá)量不同的原因之外,也可能與細(xì)菌體內(nèi)微環(huán)境有關(guān),還可能與G4菌株存在其它抗生素耐藥機(jī)制有關(guān),提示細(xì)菌的抗生素抗性受到多因素的復(fù)雜影響。

細(xì)菌外排泵主動(dòng)外排過(guò)程所消耗的能量來(lái)源于質(zhì)子移動(dòng)力(PMF)或ATP水解,研究認(rèn)為SMR家族、MATE家族、MFS家族和RND家族都屬于PMF型,ABC家族為ATP型[27]。研究顯示外排泵抑制劑利血平會(huì)抑制ABC家族外排泵的功能[28]。盡管本文研究表明Stenotrphomonas sp. G4菌株中D0Y85_RS06780膜孔蛋白介導(dǎo)細(xì)菌的抗生素抗性,且其對(duì)多黏菌素的抗性可被利血平抑制,但D0Y85_RS06780能量驅(qū)動(dòng)類型尚需進(jìn)一步深入研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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