革兰氏阳性菌中α/β水解酶家族大环内酯酯酶的全球分布与进化起源揭示其作为未被认知的耐药性风险

《The ISME Journal》：Global distribution of α/β hydrolase family macrolide esterases in Gram-positive bacteria

本研究针对大环素抗生素耐药性日益严重的临床问题，通过挖掘50余万革兰氏阳性菌基因组，首次系统鉴定了8707个候选大环内酯酯酶(MLEs)。研究人员功能验证了6个代表性酯酶，证实其能介导对16元环大环内酯的耐药性，使大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最小抑菌浓度(MIC)最高提升128倍。研究揭示革兰氏阳性菌MLEs早在270万年前就已存在，且广泛分布于全球97个国家的人类临床、食品、农业等生态系统。该发现突破了"MLEs仅存在于革兰氏阴性菌"的传统认知，为制定"一体化健康"策略控制耐药性传播提供了关键科学依据。

　　

在人类与细菌的持久战中，大环素抗生素作为全球使用量第二的抗生素类别，在控制感染性疾病方面发挥着关键作用。然而随着抗菌药物耐药性(AMR)问题日益严峻，这类重要药物的有效性正受到严重威胁。长期以来，科学界普遍认为大环内酯酯酶(MLEs)——一种通过水解大环内酯环结构使抗生素失活的关键耐药机制——仅存在于革兰氏阴性菌中。这种认知局限使得我们对耐药性传播机制的理解存在显著空白。

发表在《The ISME Journal》上的这项突破性研究，彻底改变了我们对大环内酯耐药性进化历史的认知。由周扬、杨永强、毛玉琪等研究人员组成的团队，通过系统性基因组挖掘和功能验证，首次在革兰氏阳性菌中发现了大量具有活性的大环内酯酯酶，并揭示了这些耐药基因的古老起源和全球分布模式。

研究人员采用多学科交叉的研究策略，主要关键技术方法包括：从NCBI数据库获取502,007个高质量革兰氏阳性菌基因组进行大规模挖掘；利用DIAMOND比对工具以40%序列同一性和80%覆盖度为阈值筛选候选基因；通过最大似然法构建系统发育树分析进化关系；选择代表性MLEs在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中进行异源表达和功能验证；采用微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)；结合质谱分析酶降解产物结构；运用AlphaFold3预测蛋白质三维结构并鉴定催化机制。

研究结果方面，通过基因组挖掘发现，从50余万革兰氏阳性菌基因组中鉴定出8,707个候选MLEs，这些酶均属于α/β水解酶超家族，而在Ere家族中未发现同源物。系统发育分析显示这些MLEs形成两个明显分支：Clade 1主要包含放线菌门的链霉菌、拟无枝酸菌等属；Clade 2则主要由厚壁菌门的芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属等组成。

功能验证结果表明，六种代表性MLEs在革兰氏阳性和阴性菌中均能显著提高对16元环大环内酯的耐药性。在枯草芽孢杆菌中，所有六种MLEs使泰乐菌素MIC提高2-8倍，五种MLEs使替米考星MIC提高4-16倍。值得注意的是，BRB-1和CBF-1表现出广谱降解活性，能水解包括泰乐菌素、替米考星、螺旋霉素、交沙霉素等八种16元环大环内酯，而此前已知的EstT和EstX仅针对兽医用抗生素。

催化机制研究揭示，革兰氏阳性菌MLEs同样采用丝氨酸-天冬氨酸-组氨酸催化三联体进行水解作用。定点突变实验证实，BRB-1的S102A、D230A和H258A突变体完全丧失酶活性，说明该催化三联体对水解功能不可或缺。

全球分布分析显示，携带MLEs的革兰氏阳性菌广泛分布于全球97个国家，其中美国(31.9%)和中国(12.0%)占比最高。这些细菌不仅存在于人类相关环境(临床、食品、畜牧)，还广泛分布于土壤(14.5%)、植物(8.0%)等自然环境中，甚至在南极永冻层和远洋样本中也有发现。

进化时序分析发现了截然不同的传播模式：革兰氏阳性菌中的MLEs可追溯至270万年前的永冻层样本，且在抗生素广泛使用前(1887-1953年)的样本中就已存在，表明这些耐药基因是古老起源而非抗生素选择的结果。相反，革兰氏阴性菌中的MLEs首次出现于1969年，即在抗生素大规模使用之后。

研究结论强调，革兰氏阳性菌中的MLEs是古老的抗生素耐药基因，其载体率在芽孢杆菌属中超过95%。由于芽孢杆菌能形成孢子，具有较强的环境适应性，使其成为MLEs的重要储存库。相比之下，革兰氏阴性菌中MLEs的传播与抗生素滥用密切相关，主要通过水平基因转移(HGT)获得。这些发现凸显了在"一体化健康"(One Health)框架下加强抗生素管理的紧迫性，需要考虑耐药性在整个生态系统中的传播循环。

该研究不仅填补了革兰氏阳性菌中MLEs研究的空白，更重新定义了我们对大环内酯耐药性进化历史的认知，为制定有效的耐药性控制策略提供了重要科学依据。随着耐药性问题日益严峻，这种跨学科、跨生态系统的综合研究方法将成为未来抗微生物耐药性研究的重要方向。