多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展_唐宇航.pdf

唐宇航 等/多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展 Chinese Journal of Biotechnology http:/ Apr.25,2023,39(4):1314-1331 DOI:10.13345/j.cjb.220523 2023 Chin J Biotech,All rights reserved 资助项目：国家自然科学基金(31800118，32260032)；江西双千计划(jxsq2019101054)；江西省自然科学基金(20171BAB205110)This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(31800118,32260032),the Double Thousand Talent Plan of Jiangxi(jxsq2019101054),and the Natural Science Foundation of Jiangxi Province(20171BAB205110).*Corresponding author.E-mail: Received:2022-07-06;Accepted:2022-09-13;Published online:2022-09-20 1314 生物工程学报 多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展 唐宇航1,2，方诗琦2，谢琳琳1,2，孙超2，李珊珊2，周爱萍3,4，曹广祥5，李骏2*1 浙江工业大学生物工程学院，浙江 杭州 310032 2 江西农业大学食品科学与工程学院，江西 南昌 330045 3 上海市东方医院，上海 200123 4 上海市东方医院吉安医院，江西 吉安 343000 5 山东第一医科大学(山东省医学科学院)生物医学科学学院&山东省医药生物技术研究中心，山东 济南 250117 唐宇航,方诗琦,谢琳琳,孙超,李珊珊,周爱萍,曹广祥,李骏.多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展J.生物工程学报,2023,39(4):1314-1331.TANG Yuhang,FANG Shiqi,XIE Linlin,SUN Chao,LI Shanshan,ZHOU Aiping,CAO Guangxiang,LI Jun.Advances in genomics of multi-drug resistant StenotrophomonasJ.Chinese Journal of Biotechnology,2023,39(4):1314-1331.摘 要：寡养单胞菌(Stenotrophomonas)是一类广泛分布于自然环境中的革兰氏阴性非发酵细菌，环境适应能力较强，尤其具备高度耐受抗生素的能力，被认为是耐药基因(antimicrobial resistance,AMR)传播的“物流转运仓库”。临床上寡养单胞菌检出率逐年提高，且耐受抗生素能力及其种类呈现增加态势。本文围绕寡养单胞菌基因组编码的多样性耐药因子，结合基因组学工具开发、抗生素耐药分子机制的研究进展，针对耐药相关因子所涉及的进化/变异和序列编辑技术展开综述。寡养单胞菌的比较基因组学(comparative genomics)研究，可推动耐药菌高效监测与扩散风险防控、解析微生物适应环境关键机制和设计靶向药物。关键词：寡养单胞菌；基因组学；多重抗生素耐药；传播风险 综 述 唐宇航 等/多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展 ：010-64807509： 1315 Advances in genomics of multi-drug resistant Stenotrophomonas TANG Yuhang1,2,FANG Shiqi2,XIE Linlin1,2,SUN Chao2,LI Shanshan2,ZHOU Aiping3,4,CAO Guangxiang5,LI Jun2*1 College of Biotechnology and Bioengineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,Zhejiang,China 2 College of Food Science and Engineering,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,Jiangxi,China 3 Shanghai East Hospital,Shanghai 200123,China 4 Shanghai East Hospital Jian Hospital,Jian 343000,Jiangxi,China 5 Biomedical Sciences College&Shandong Medicinal Biotechnology Centre,Shandong First Medical University&Shandong Academy of Medical Sciences,Jinan 250117,Shandong,China Abstract:Stenotrophomonas species are non-fermentative Gram-negative bacteria that are widely distributed in environment and are highly resistant to numerous antibiotics.Thus,Stenotrophomonas serves as a reservoir of genes encoding antimicrobial resistance(AMR).The detection rate of Stenotrophomonas is rapidly increasing alongside their strengthening intrinsic ability to tolerate a variety of clinical antibiotics.This review illustrated the current genomics advances of antibiotic resistant Stenotrophomonas,highlighting the importance of precise identification and sequence editing.In addition,AMR diversity and transferability have been assessed by the developed bioinformatics tools.However,the working models of AMR in Stenotrophomonas are cryptic and urgently required to be determined.Comparative genomics is envisioned to facilitate the prevention and control of AMR,as well as to gain insights into bacterial adaptability and drug development.Keywords:Stenotrophomonas;genomics;multi-drug resistance;transferability risk 寡养单胞菌(Stenotrophomonas)是除了肠杆菌科(代表性种属：大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、沙门氏菌、粘质沙雷氏菌)和铜绿假单胞菌等常见抗生素耐药菌外，具备较强内源性耐药能力的革兰阴性菌1-2。寡养单胞菌又称窄食单胞菌，为专性需氧的非发酵型革兰阴性多鞭毛杆菌。寡养单胞菌分布较为广泛，可在水源、土壤、空气、根系、污水生活、养殖和医疗甚至医院透析装置和辅助呼吸系统中分离到。其中，嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)目前已经成为引发全球关注的多重耐药条件性致病菌，耐药性较强且较易与其他致病菌在免疫力低下或长期大量使用抗生素药物的人群中形成复合感染，虽然致病力不强但可引发败血症、心内膜炎以及消化道和尿路感染等病症。嗜麦芽寡养单胞菌生存能力强、毒力不高，最早分离于口腔肿瘤患者的咽拭子，并被命名为嗜麦芽假单胞菌，后又被归类为黄单胞菌。但由于寡养单胞菌生理生化特性和营养物代谢能力与假单胞菌、黄单胞菌存在差异，故寡养单胞菌属自黄单胞菌科单独划出以示区别3-4。嗜麦芽寡养单胞菌的感染是条件性的，多发生于严重免疫能力受损或低下、患有基础病的群体中。近年由于其生存力强且不易清除的特性，临床上寡养单胞菌的检出率逐渐提高。寡养单胞菌对众多-内酰胺药物天然耐药，而且编码多 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech http:/ 1316 种氨基糖苷修饰酶及外排泵形成对某一抗生素的多样化耐药机制。该菌对常见抗生素高度耐药，故可供选择的临床药物较少，主要为复方新诺明、米诺环素、左氧氟沙星、氯霉素和头孢他啶。值得注意的是，由于寡养单胞菌分布广泛、适应逆境能力强，其对抗生素、杀虫剂、雌激素、羽毛的降解能力已逐渐被发现，有助于实现生态修复5-9。此外，根际、土壤来源的寡养单胞菌在调节植物生长、生物防治、工业酶挖掘与进化等方面也已有相关报道10-12。解析寡养单胞菌致病、耐药、代谢和遗传背景，修饰为具备较好耐受逆境能力的底盘生物，将极具应用转化潜力(图 1)。因此，进一步探明其耐药和抗逆机制相关的遗传本质和效应因子尤为迫切，深入认识其耐药基因为代表的环境适应相关因子的变异与进化，有助于在本底清晰、安全可靠的基础上科学合理地开发此类微生物资源。卫生健康和食品安全部门对医疗和环境来源的病原菌侵染致病和耐药性能的调查与干预，是预防和控制病原菌及其风险因子的传播与扩散的有效措施。而应对和处理突发状况及疫情，通常是需要在较短时间和有限地域完成决策和部署的。因此，高效和精准地识别病原体流行病学特征并开展风险评估，对确定来源归因及后续防控至关重要。区别于以往经典可靠但敏感性不强、周期较长、效率略低的流行病学统计分析和分子分型，针对病原体开展基因组测序和个性化生物信息学分析是一种更加快速高效、敏感性和特异性均显著强化的技术手段。测序技术和生物信息学历经多年发展，其准确性和可靠性已取得长足进步，不仅可满足快速检测和精准分析需求，还可有效推动区分嗜麦芽寡养单胞菌的粘附定植与混合感染的关键研究4,13。嗜麦芽寡养单胞菌因其逐渐提升的临床检出率，已成为一类仅次于铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌、挑战药物选择性的临床多重耐药菌1,14。嗜麦芽寡养单胞菌可耐受-内酰胺类(如碳青霉烯类)、氨基糖苷类、四环素类及喹诺酮类抗生素。此外，耐受替加环素、多黏菌素等重要临床抗生素的嗜麦芽寡养单胞菌被检测分离到，进 图 1 寡养单胞菌在医源环境、生态修复中的功能多样性 Figure 1 Functional diversity of Stenotrophomonas in nosocomial environments and bioremediation/biodegradation.唐宇航 等/多重耐药寡养单胞菌的基因组学研究进展 ：010-64807509： 1317 一步制约了临床药物的可用性。可降解或修饰常用临床治疗药物(磺胺类、头孢他啶等抗生素)的寡养单胞菌也被检出，表明寡养单胞菌处于不断地进化变异和适应环境过程中。寡养单胞菌自身基因组变异与进化导致的异质性，促进了菌体适应医源和环境中抗生素的高度选择性压力。鉴于寡养单胞菌具备多种类型抗生素的耐受能力，建立可靠高效遗传操作体系对研究其耐药机制显得尤为重要15。解析耐药形成和传播的模式，需剖析分离的寡养单胞菌的基因组