质粒驱动：大肠杆菌毒力与抗生素耐药性的融合进化及其机制研究

《Nature Communications》：Convergence of plasmid-driven virulence and antibiotic resistance in Escherichia coli

《自然-通讯》最新研究揭示，大肠杆菌中ColV样质粒(ColVLPs)作为关键移动遗传元件，通过携带毒力基因（如ompTp、siderophores）和耐药基因（如mcr-1），驱动了高致病性与多药耐药性的协同进化。本研究通过构建233个ColVLP数据库，首次系统解析其四大亚群特征，发现质粒共整合可介导黏菌素耐药性传播，并证实ColVLP编码的OmpTp蛋白酶可增强宿主对抗菌肽LL-37的抵抗能力。该研究为应对超级细菌的公共卫生威胁提供了重要理论依据。

　　

在抗生素耐药性席卷全球的公共卫生危机下，大肠杆菌作为最常见的条件致病菌，正通过一种名为"质粒"的环状DNA分子加速进化。这些可水平转移的遗传元件如同基因"特快专列"，不仅携带耐药基因，还能将增强细菌致病力的毒力因子一并传递。其中，ColV样质粒(ColVLPs)作为禽类和人类致病性大肠杆菌的关键毒力载体，其与耐药基因的融合现象尤为引人担忧——这种"强强联合"可能催生兼具高致病性与多重耐药性的"超级细菌"。

近日发表于《Nature Communications》的研究论文《Convergence of plasmid-driven virulence and antibiotic resistance in Escherichia coli》系统揭示了ColVLPs的进化轨迹与致病机制。澳大利亚昆士兰大学Mark A. Schembri团队通过构建迄今为止最全面的ColVLP基因数据库（包含233个完整测序质粒），结合分子生物学实验证实：这类质粒不仅能通过与其他质粒共整合获得包括最后防线抗生素黏菌素耐药基因mcr-1在内的多重耐药谱，其特有的外膜蛋白酶OmpTp还能与染色体同源蛋白酶协同作用，显著增强细菌对人类抗菌肽LL-37的抵抗能力。

关键技术方法包括：通过PLSD²⁹和NCBI RefSeq³⁰数据库构建ColVLP基因组库；利用ORF二元化结构网络分析³⁴进行质粒聚类；采用λRed同源重组构建基因敲除株；通过荧光共振能量转移(FRET)和液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术分析蛋白酶活性；基于9,962株大肠杆菌基因组数据（来源：Enterobase数据库）进行质粒携带模式统计。

ColVLPs可基于基因内容分为六个簇

研究人员通过ORF存在/否的二元化分析，将233个ColVLPs划分为四个主要簇（3-6簇）和两个次要簇（1-2簇）。其中3、6簇以携带ColV大肠菌素基因为特征，毒力基因携带率>84%，耐药基因负荷中等；而4、5簇主要携带ColM大肠菌素，毒力基因携带率较低（17-81%），但呈现惊人的多重耐药性——对氨基糖苷类（~65-100%）、β-内酰胺类（~75%）、氟喹诺酮类（~25-45%）等7类抗生素均具有高耐药率。值得注意的是，96%的ColVLPs局限于大肠杆菌宿主，提示其具有显著的宿主适应性。

ColVLP变异包括共整合质粒的形成

研究首次系统鉴定了20个ColVLP共整合质粒，这些"杂交质粒"通过IS26插入序列介导，将ColVLPs与IncHI2/IncN等质粒重组，形成携带mcr-1等最后防线抗生素耐药基因的嵌合体。比较基因组学显示，共整合质粒的耐药基因数量显著高于非杂交ColVLPs（p<0.0001），且主要分离自ST101、ST141等与人类感染密切相关的致病谱系。

ColVLP/AMR质粒共整合可能由ST特异性质粒携带模式驱动

对9,962株大肠杆菌的分析发现，ColVLP阳性菌株中约40%同时携带至少一个非IncF复制子。这种共携带呈现显著的ST特异性：ST95菌株以单独携带ColVLP为主（75%），而ST131 Clade B则频繁共携带IncI1（24%）等质粒。网络分析进一步揭示，IncI1、IncX、IncB/O/K/Z和IncH是ColVLP最常见的"伴侣质粒"，为共整合事件提供了物质基础。

ColVLPs上的毒力基因与其染色体同源物不同

通过构建6个核心毒力基因（iroBCDEN、iucABCD/iutA等）的系统发育树，研究发现绝大多数ColVLP携带的毒力基因与染色体同源物分属不同进化分支。但发现4个ColVLP携带的sitABCD基因座呈现"杂交"特征——其sitABC及sitD前端与染色体同源，而sitD后端则保留质粒特征，为质粒-染色体同源重组提供了直接证据。

OmpT变体具有功能但表现出底物特异性差异

在携带3个ompT基因（ompT1/2为染色体编码，ompTp为质粒编码）的参考菌株MS7163中，研究发现各变体虽具有相似的三维结构，但底物特异性显著不同：OmpTp对补体C2衍生肽的切割活性最强，而OmpT2几乎无活性。值得注意的是，所有变体均能切割抗菌肽LL-37，且质粒编码的OmpTp与染色体OmpT1的共表达可完全恢复菌株对LL-37的抵抗能力，证实了不同OmpT变体间的协同作用。

该研究通过多维度分析揭示了ColVLPs作为"高风险移动遗传元件"的双重威胁：一方面通过共整合机制快速积累耐药基因，另一方面通过独特的毒力因子（如OmpTp）与染色体同源物协同增强致病性。特别值得关注的是，质粒与染色体毒力基因的同源重组现象提示细菌进化存在更复杂的基因交流网络。这些发现不仅为理解耐药性-毒力协同进化提供了新范式，更警示需加强对携带复合质粒的致病菌监测，尤其在人畜共患病传播链中。随着长读长测序技术的普及，未来有望更精准捕捉临床环境中这类"超级质粒"的实时进化动态。