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摘译：蒋晓颖
审校：王明贵
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细菌耐药性的快速上升与耐药质粒携带多种耐药基因，在细菌间水平传播有密切关系。细菌中存在CRISPR-Cas系统及限制-修饰(Restriction -Modification，R-M)系统为代表的防御系统，可防御外源DNA包括噬菌体及质粒等可移动元件的进入。目前已有研究表明革兰阴性菌中的CRISPR-Cas系统及大肠埃希菌中I型R-M系统可以靶向KPC质粒从而阻碍其传播。
噬菌体排斥(BREX)系统是一种新近被发现的细菌防御系统, 2015年研究报道其可抵御多种噬菌体的入侵。目前BREX系统分为六种亚型, 其中大肠埃希菌中为I型BREX系统, 由六个基因元件组成。华山医院抗生素研究所王明贵教授课题组在Antimicrobial Agents and Chemotherapy发表了题为“Type I BREX system defends against antibiotic-resistant plasmids in Escherichia coli”的文章，蒋晓颖博士生与李丹主治医师为本文共同第一作者。该研究首次揭示了BREX系统可阻遏KPC及NDM在内的耐药质粒在大肠埃希菌中的水平转移。
大肠埃希菌中BREX系统靶向KPC及NDM耐药质粒
本研究纳入大肠埃希菌临床菌株424株及NCBI数据库大肠埃菌1283株, I型BREX系统的携带率分别为5.4% (23/424) 和6.5% (84/1283)。23株BREX系统阳性菌株对碳青霉烯类抗菌药物均敏感，而所有携带KPC或NDM的菌株均未携带BREX系统。NCBI数据库中KPC阳性及NDM阳性的菌株大多数为BREX系统阴性，提示BREX系统可能会影响KPC及NDM基因在大肠埃希菌中的水平传播。
与R-M系统相似，BREX系统也是通过甲基转移酶PglX甲基化修饰细菌自身识别位点以区分敌我。选取临床大肠埃希菌3756及其BREX系统敲除株3756-ΔBREX行甲基化测序分析，发现大肠埃希菌3756中BREX系统甲基转移酶PglX识别的基序为5’-CANCATC-3’（N代表可变碱基），甲基化修饰位点为第五位的腺嘌呤。进一步分析发现携带KPC及携带NDM的质粒均存在BREX系统的识别位点，提示BREX系统可以靶向识别KPC及NDM耐药质粒。
图1. 大肠埃希菌3756中BREX系统甲基化修饰位点
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大肠埃希菌中BREX系统阻遏KPC及NDM耐药质粒的接合转移
通过质粒接合实验发现，BREX系统可显著降低blaKPC及blaNDM耐药质粒的接合效率，阻碍其传播。以临床分离大肠埃希菌3756及其敲除株3756-ΔBREX作为受体菌进行接合实验，发现BREX系统缺失菌株中，含有其识别基序5’-CANCATC-3’的KPC（图2A）和NDM（图2C）质粒的接合频率上升。当BREX系统通过工程质粒表达时， BREX系统阳性菌株（DH5α-pHSG398-BREX）中KPC（图2B）和NDM（图2D）质粒的接合效率明显降低，说明BREX系统可以阻遏KPC及NDM耐药质粒在大肠埃希菌中水平转移。
图2. 大肠埃希菌中BREX系统可阻遏KPC及NDM耐药质粒的接合转移
BREX系统识别基序的周边DNA序列影响其防御效率
构建携带识别基序的质粒（psgRNA-ColAori-target），比较psgRNA-ColAori-target及其对照空载的转化效率，发现与空载相比，携带BREX系统识别基序的质粒的转化效率明显降低（图3A）。而另一携带BREX系统识别基序的质粒psgRNA-15Aori-target的转化效率较其空载（psgRNA-15Aori）仅下降17%（图3B）。
图3. DH5α-pHSG398-BREX中BREX系统靶向质粒及其空载的转化效率
携带BREX系统靶向序列的psgRNA-15Aori-target与psgRNA-ColAori-target均含有2个BREX系统识别位点并且具有相同的质粒骨架（psgRNA质粒），唯一不同在于两个识别位点之间的DNA序列，提示靶向序列的周边基序可能会影响BREX系统作用的强弱。psgRNA-15Aori-target与psgRNA-ColAori-target识别位点间的DNA序列比对见下图。
图4. psgRNA-15Aori-target质粒与psgRNA-ColAori-target质粒识别位点间的DNA序列比对图
本研究首次发现了BREX系统可阻遏KPC及NDM耐药质粒在大肠埃希菌中的水平转移。BREX系统防御效能受其识别位点的周边DNA序列的影响。目前BREX系统防御耐药质粒的分子机制及其识别位点的周边DNA序列影响BREX系统防御效能的分子机制尚未明确。
参考文献：
Jiang X, Li D, Sun Z, Lu Y, Li P, Li W, Wang D, Wei L, Xu X, Yuan Y, Wang M. Type I BREX system defends against antibiotic-resistant plasmids in Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother 2024; 68(3): e0112823
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此研究为王明贵教授课题组对细菌防御系统的系列研究成果之一。以往在大肠埃希菌中发现I型R-M系统可防御KPC耐药质粒的侵入（J Antimicrob Chemother 2022）；在ST15型碳青霉烯类耐药肺炎克雷伯菌中发现一个新的抗CRISPR蛋白AcrIE9.2，通过拮抗CRISPR的防御功能而促进KPC耐药质粒的播散（Antimicrb Agents Chemother 2023）。
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38289080/
