【前沿速递】细菌耐药性与耐药组学研究

人体肠道中栖息着种类繁多的微生物，其数量超过人体自身细胞的10倍以上。这些微生物的基因组中(microbiome)蕴含大量的遗传信息，被称为是“人体的第二个基因组(the second genome of human body)”。人体肠道微生物对人体肠道内营养物质的代谢、人体自身的发育、免疫及疾病的产生等方面起到极其重要的作用。例如，肠道微生物可以保护肠道上皮细胞免受损伤，可以调控宿主脂肪的储存以及刺激肠道血管生成，阻止病原菌在组织中的定植及促进免疫系统的发育和分化等。随着人们对肠道微生物认识的不断加深，有关肠道菌群与人类健康的关系的新的热点问题也不断被提出。例如，近来有研究者认为人体肠道微生物是抗生素耐药基因的“储存库”。然而，这一问题并没有被深入揭示。

我们近几年对来自三个不同国家（丹麦、西班牙、中国）的162个健康人肠道微生物元基因组(Metagenome)中的耐药基因进行了深入分析，首先建立了一个含有四百万个人体肠道微生物基因的数据集，随后从该数据集中鉴别出1093个耐药基因。通过与其它8个不同环境元基因组的比较分析发现，人体肠道微生物中耐药基因的比例最高。此外，与其它人体肠道微生物的功能基因相比，耐药基因更倾向于存在某些特定的细菌门，如变形菌门。

研究结果获得的1093个耐药基因可分为149个不同的耐药基因型，中国人肠道中含有70个耐药基因型，丹麦人45个，西班牙人49个。显而易见，中国人肠道中微生物耐药基因型高于其他两个国家，提示中国人滥用抗生素的情况要严重；随后利用高通量测序原始数据对所有耐药基因的相对丰度进行计算，结果显示中国人肠道微生物耐药基因的丰度最高，西班牙人居中，丹麦人最低。对耐药基因单核苷酸多态性的聚类分析表明中国人肠道耐药基因不同于丹麦和西班牙人，而后两者同属于欧洲国家。这种差异可能一方面由于肠道菌群的差异造成，另一方面很可能归咎于不同地域抗生素使用的偏好性不同。

进一步分析发现，无论在哪个国家人群中，四环素耐药基因型的丰度都是最高的。随后，研究构建了3个健康人肠道元基因组的Fosmid文库(20万克隆)，并利用不同的抗生素对文库进行筛选，结果同样证实具有四环素抗性的克隆数比例最高。接下来，研究对欧洲20个国家近10年抗生素的使用情况进行了统计，结果表明四环素类抗生素一直以来在动物中的使用量(包括畜牧养殖)显著高于其它抗生素，而临床上使用量很少。因此，人体肠道微生物中的耐药基因（尤其是高丰度的耐药基因）很可能与兽用抗生素相关。

抗生素滥用使全球面临的耐药风险与日俱增，在中国尤为突出，不仅临床滥用情况严重，畜牧养殖业中抗生素的滥用状况更是不容乐观。抗生素的滥用和过度使用无疑将富集或诱导出各种类型的耐药基因；这些耐药基因可能通过多种途径（如食物链）最终传递到人体中，而肠道这种细菌密度极高(1011-1012细胞/克肠内容物)的环境又极大增加了基因横向转移的风险；一旦某些耐药基因转移到人体病原菌中，将使临床抗感染治疗面临更多新的挑战。(Nat. Commun. 4: 2151. doi: 10.1038/ncomms3151)。

另外，我们对23000余个已知细菌基因组、980万个已公布人体肠道细菌基因、测序获得的30万个养殖动物肠道细菌基因中的高风险等级可移动性耐药基因进行了全面分析。研究发现，可移动性耐药基因主要存在于4个细菌门当中的790个细菌种之中，其丰度和转移频率在变形菌门中显著富集。这些耐药基因在细菌间的近期转移形成了一个巨大的网络，由703个细菌种、16859个种间配对所组成。对该网络进行解析，发现细菌个体间耐药基因的转移由细菌种属进化关系所主导，又同时受制于生态屏障；这一规律同样适用于耐药基因在人体和动物肠道细菌群体水平上的转移。进一步分析发现，41个人体和动物肠道菌群间相互转移的耐药基因中的33个存在于多种人体病原细菌中。该研究首次以基因组学大数据为依托，深入解析了耐药基因在细菌间的传播网络和规律，对深入认识细菌耐药性的进化、细菌耐药的形成机制等具有重要意义。

对细菌耐药基因mcr-1在已知的31000多个细菌基因组、4500多个元基因组、980万个人类肠道微生物基因（来自中国、美国和欧洲的1267个人体样本）中的分布和序列的差异进行比较基因组分析，发现mcr-1基因可能很早就已经传播到中国健康人的肠道细菌中，并且早在2011年或之前已经在欧洲出现；序列分析显示mcr-1基因本身连同其上游序列可以单独被其它可移动遗传元件所捕获并进行传播。此外，文章特别强调由于mcr-1基因在零售肉类、食品及健康人体肠道细菌中共同存在，强烈提示存在潜在的食物链传播途径，全球范围应该即刻予以关注。

投稿：胡永飞  李晶  律娜  朱宝利     中国科学院微生物研究所

审稿：余方友 陈宏斌

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