在细菌耐药性研究中,经常会遇到一种特殊情况:药敏试验显示菌株对某种药物耐药,但通过常规耐药基因数据库(如CARD、ResFinder等)比对基因组测序数据后,并未发现对应的耐药基因。那面对这种情况,我们应该如何确定耐药性的来源呢?
一、可能的原因有哪些?
首先我们需要知道哪些因素可能导致上述的情况:
1、相关基因的异常过表达
某些基因可能本身并非该药物的已知耐药基因,但当其发生过表达时,会导致蛋白大量积累,间接赋予菌株对该药物的耐药性。(比如ESBL过表达导致的抑制剂耐药)
过表达的原因可能包括:调控基因突变、强启动子驱动、基因拷贝数增加等。
2、膜孔蛋白的变异或表达下调
膜孔蛋白基因发生变异,导致无法产出功能性蛋白;或者膜孔蛋白调控基因改变,抑制膜孔蛋白表达。两者均会减少药物的进入,从而增强耐药性。
3、外排泵过表达
外排泵调控基因突变或启动子增强促进了外排泵基因的表达,增加了药物的外排,从而增强耐药性。
在实际情况中,多种机制往往协同作用,共同促成耐药表型。
二、怎么确认是哪种原因?
1、从测序数据入手
需要排查的内容 | 具体看什么 |
同一功能类别的基因 | 是否存在多拷贝?启动子区是否有变化? |
膜孔蛋白基因 | 是否存在突变?启动子区是否有变化? |
外排泵基因 | 调控基因是否存在突变?启动子区是否有变化? |
2、看MIC和表达水平变化
需要确认的内容 | 具体做什么 |
耐药是否与同一功能类别的基因有关? | 启动子区和目标基因克隆表达,药敏检测MIC,qRT-PCR比较表达量 |
启动子区变异有什么影响? | 定点突变改造启动子序列,与目标基因一起克隆表达,药敏检测MIC,qRT-PCR比较表达量 |
外排泵是否存在过表达? | qRT-PCR检测表达量(相对于敏感株) |
三、实际案例解析
接下来通过一个具体的案例来看看如何分析这类问题。
文献案例:铜绿假单胞菌对头孢他啶-阿维巴坦(CZA)耐药,但未检出已知的β-内酰胺酶抑制剂耐药基因

已知条件:药敏结果显示部分菌株对CZA耐药。
分析目标:找到引起CZA耐药的基因组来源。
分析内容:
1. 耐药基因筛查
未发现CZA耐药相关基因,但筛查结果显示所有耐药菌株均携带blaGES-1基因(一种A类ESBL基因),而CZA敏感菌株中未发现该基因。
2. 基因表达水平检测
通过RT-qPCR检测blaGES-1的转录水平,发现CZA耐药菌株中该基因的mRNA表达量显著高于敏感菌株,说明耐药性与blaGES-1的过表达直接相关。
3. 启动子序列分析
分析blaGES-1上游的启动子区域,发现该基因位于class 1 integron中,受一个强启动子驱动(hybrid promoter PcS),导致转录活性大幅增强。这是blaGES-1过表达的序列基础。
4. 外排泵作用的评估
通过加入外排泵抑制剂后检测MIC值的变化,发现抑制外排泵后CZA的MIC值明显下降,说明外排泵的协同作用是导致高水平耐药的重要因素。
5. 功能验证实验
定点突变和克隆表达实验:通过定点突变,将启动子配置为PcS强启动子、PcW弱启动子及无启动子对照,与blaGES-1基因一同克隆至载体,并导入敏感菌株PAO1。结果显示,PcS组的CZA MIC远高于PcW组和无启动子组,且PcS组的blaGES-1表达量显著高于PcW组,PcW组显著高于无启动子组。

图1 B.CZA耐药菌株的GES-1与外排泵相对表达;C. blaGES-1启动子在整合酶基因intI1内部;D. blaGES-1转化子的相对表达

图2 转化子药敏试验结果
分析逻辑梳理:
1. 首先,常规耐药基因筛查没有找到CZA耐药基因,所以作者把视野拓宽到了“同一功能类别的基因”——blaGES-1虽然不是抑制剂耐药基因,但它同属β-内酰胺酶家族,其过表达同样可能导致抑制剂耐药。
2. 随后,分析按两条线推进:
一是通过“基因筛查-表达检测-启动子分析”,确认了blaGES-1的过表达是耐药的主要来源;
二是通过外排泵抑制实验,确认了外排泵的协同作用抬高了耐药水平。
3. 最后,基于定点突变和克隆表达实验探讨“这个基因本身是否足够赋予耐药”以及 “启动子变异对耐药水平的影响有多大”,为判断其他菌株是否可能通过类似机制发展出CZA耐药提供了依据,是非常值得借鉴的实验设计思路。
Q:想用云平台快速排查耐药基因,有什么推荐的工具?
A:推荐使用密码子云平台的耐药预测工具组合:
AMRFinderPlus(https://cloud.mimazi.net/tool/article-234.html):一次性检测获得性耐药基因、点突变、应激反应因子和毒力因子
ABRicate(https://cloud.mimazi.net/tool/article-112.html):支持多个数据库快速注释耐药基因和毒力因子
RGI(https://cloud.mimazi.net/tool/article-107.html):基于CARD数据库精准识别抗生素抗性基因
ResFinder(https://cloud.mimazi.net/tool/article-125.html):专门检测水平转移获得的耐药基因,覆盖15种耐药类别
Q:常规筛查找不到耐药机制,需要更深度的分析怎么办?
A:唯那生物提供基因组个性化分析定制服务,包括启动子区变异分析、基因拷贝数检测、膜孔蛋白和外排泵基因突变筛查等,同时配套荧光定量qPCR实验服务,可协助验证基因表达水平差异。
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