多拷贝产质粒在抗生素耐药性演变中的作用试验

细菌耐药性是一个主要的健康问题¹。在基本水平上, 抗生素耐药性在致病细菌中的传播是自然选择的一个简单的例子, 这是自然选择^2,3。简而言之, 抗生素的使用会产生抗性菌株的选择。因此, 进化生物学的一个关键问题是了解影响细菌种群对抗生素的抗药性的能力的因素。选择实验已经成为一个非常强大的工具来调查细菌的进化生物学, 这个领域已经产生了令人难以置信的洞察到广泛的进化问题^4,5,6。在实验性进化过程中, 由单亲菌株引发的细菌种群在定义和严格控制的条件下依次传代。在这些文化的生长过程中发生的一些突变增加了细菌的适应性, 这些变化通过自然选择的文化传播。在试验过程中, 种群的样本定期低温保存, 以创建一个非进化的冰冻化石记录。大量的方法可以用来表征不断变化的细菌种群, 但最常见的两种方法是体能测定, 即测量进化细菌与远方祖先竞争的能力, 以及整个基因组测序, 即用于识别驱动适应的遗传变化。经过理查德 Lenski 和同事的开创性工作^7,8, 实验进化的标准方法是挑战相对较少数量的复制人口 (通常 < 10), 适应新的环境挑战, 如新的碳源, 温度, 或捕食性的噬菌体。

抗生素耐药性细菌引起的感染成为一个很大的问题, 当抗药性足够高, 不能增加抗生素浓度, 以致命的水平在病人组织。因此, 临床医生对允许细菌进化为高剂量抗生素的耐药性有兴趣, 这是高于此阈值的抗生素浓度, 临床断点。如何进行实验研究？如果少量的细菌种群受到高剂量抗生素的挑战, 就像在 Lenski 的实验中那样, 最可能的结果是抗生素会驱使所有的人群灭绝。同时, 如果使用的抗生素剂量低, 低于最低限度的抑制浓度 (MIC) 的父母菌株, 那么它是不可能的细菌群体将发展临床相关水平的抗药性, 特别是如果阻力承载着很大的成本。这两种情况的一个折中方案是使用 “进化营救” 实验^9,10,11。在这种方法中, 大量的文化 (通常 > 40) 受到挑战, 随着时间的推移, 抗生素的剂量增加, 通常是通过加倍抗生素浓度每天¹²。这个实验的特点是, 任何没有进化出抗药性的种群都将被迫灭绝。以这种方式受到挑战的大多数人口将被驱赶绝种, 但少数族裔将坚持不断发展的高水平的抵抗。本文介绍了该实验设计如何能够用于研究多拷贝产质粒对抗性进化的贡献。

细菌通过两条主要途径、染色体突变和获取移动遗传元素, 主要是质粒¹³获得对抗生素的抗药性。质粒在抗生素耐药性的演变过程中起着关键作用, 因为它们能够通过共轭^14,15在细菌间转移抗性基因。质粒可根据其大小和生物学分为两组: “小”, 每个细菌细胞的拷贝数和 “大”, 低拷贝数^16,17。大型质粒在抗生素耐药性演变中的作用已被广泛记录在案, 因为它们包括共轭质粒, 这是细菌传播抗药性和多种抗药性的关键驱动因素¹⁵。在细菌^17、18中, 小多拷贝产质粒也非常常见, 它们经常编码抗生素耐药性^基因19。然而, 小多拷贝产质粒在抗生素耐药性演变中的作用在较小程度上被研究。

在最近的一项工作中, 我们建议多拷贝产质粒可以通过增加基因突变率来加速它们携带的基因的进化, 因为每个细胞的基因复制数^都是12。使用具有大肠杆菌菌株 MG1655 和β-酶基因血乳酸_TEM-1的实验模型, 表明多拷贝产质粒加速了 TEM-1 突变的出现率, 赋予了第三代抗性头孢他啶。结果表明, 多拷贝产质粒在抗生素耐药性的演变过程中可能起着重要的作用。

在这里, 我们提供了一个详细的描述, 我们已经开发的方法来研究多拷贝产质粒介导的抗生素耐药性的演变。该方法有三种不同的步骤: 一是在多拷贝产质粒或宿主细菌的染色体中插入研究中的基因。第二, 利用实验进化 (进化拯救) 来评估不同菌株的潜能, 以适应选择性压力。第三, 用 DNA 测序法确定质粒介导的进化的分子基础, 并在父母基因型中单独重建疑似突变。

最后, 虽然这里描述的协议是为了调查抗生素耐药性的演变而设计的, 但人们可以争辩说, 这种方法对于分析任何多拷贝产突变所获得的创新的进化是很有用的。质粒编码基因。