MecA基因及非MecA基因在MRSA耐藥機制中的研究進展

湯蘭蘭 林潔如 綜述 彭春紅△ 張湘燕，* 審校

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 563000；2.貴州省人民醫院，貴州 貴陽 550000)

金黃色葡萄球菌(SA)作為最常見的條件致病菌，常引起嚴重的醫院感染性疾病。隨著抗生素在全世界范圍內的廣泛應用，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的臨床分離率明顯升高，同時其致病力強，治療難度大，從而導致患者病死率高[1]。加強對MRSA耐藥機制的研究顯得尤為緊要。我們將對金黃色葡萄球菌中甲氧西林耐藥的主要分子耐藥機制進行綜述，了解該領域最新進展。

1 背景

金黃色葡萄球菌是人類和動物的皮膚黏膜上的正常定植菌，通常對宿主不構成威脅，健康成人的定植率為5%～30%[2]。同時，金黃色葡萄球菌也可引起多種感染性疾病，包括的局部皮膚感染，各種臟器的急慢性感染，以及嚴重的膿毒血癥等[3]。青霉素問世初期，金黃色葡萄球菌引起的感染性疾病得到大幅控制，但隨著青霉素的廣泛應用，部分菌株出現青霉素耐藥[4]。1959年，甲氧西林問世，曾一度有效地控制了相關感染性疾病。僅2年后，世界首例耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)出現。20世紀60年代MRSA在歐洲、加拿大等許多國家陸續被發現，80年代其患病率在世界范圍內急劇上升[5]。2016年美國和荷蘭的流行病學數據分析顯示，保守估計全世界有200萬至5 300萬人攜帶MRSA[6]。作為危及生命的醫院感染的主要原因之一，MRSA感染死亡率高，住院時間長以及醫療費用負擔重[7]，給臨床工作者帶來巨大挑戰。

2 耐藥機制

金黃色葡萄球菌的耐藥性可以通過不同的途徑獲得，包括移動遺傳元件的基因轉移，造成外源耐藥基因整合到菌株中進行表達，或自發基因突變等，這常導致多重耐藥菌株的出現。MRSA菌株耐藥主要由mecA基因所介導，許多研究發現約90%以上的MRSA均檢出mecA基因，檢出率極高[8-9]。

2.1甲氧西林耐藥性與mecA基因 青霉素治療金黃色葡萄球菌感染，主要是通過β-內酰胺與細胞表面的青霉素結合蛋白(PBP)相結合，干擾細菌細胞壁的肽聚糖合成中最關鍵的轉肽作用，進而阻止細胞壁的生物合成[10]。目前已知可與β-內酰胺作用的金黃色葡萄球菌青霉素結合蛋白有PBP1，PBP2，PBP3，PBP4，PBP2b。金黃色葡萄球菌對大多數青霉素具有固有耐藥性，即其耐藥性通常是質粒原本攜帶的β-內酰胺酶基因所介導，然而對甲氧西林耐藥卻有所不同[11]。負責甲氧西林耐藥的基因存在于耐藥菌株染色體中的外源DNA區域，而不存在于敏感株。Tomasz實驗室[12]進行的轉移和轉座子誘變實驗，確認了MRSA中mecA基因的存在，其轉錄產物為一種新的PBP，稱為PBP2a，使菌株對β-內酰胺結合力顯著下降，對β-內酰胺藥物耐藥。對含有mecA的區域的測序結果揭示了一種獨特的移動遺傳元件SCCmec，存在于MRSA而不存在于敏感株中[13]。

2.1.1SCCmec SCCmec原件內包含 mec基因復合物(包含mecA及其調控基因mecI和mecR，mecA基因上下游的插入序列等)，盒式染色體重組酶(ccr)基因復合物，整合位點序列(ISS)，含有一個或兩個位點特異性重組酶基因負責SCCmec的運動，通常是三個J區(J1-J3)。這些J區域被稱為連接區域，具有重要功能，如編碼對其他抗生素和重金屬的抗性[14]。SCCmec元件的切除和整合由ccr編碼的重組酶通過識別attB等序列而進行。ccrA和ccrB在底物識別并非特異，它們不僅可以作用于上述規范的重組位點，還可以作用于其他非經典的重組位點，如attSCC和attL，以及attSCC和attR[15]。這種活性不同于典型的重組酶家族成員，可能有助于SCCmec元件的基因可塑性。例如，精氨酸分解代謝移動元件(ACME)，毒性USA300克隆中的毒力因子，整合到attR位點的SCCmec中，而不同SCCmec元件的串聯排列可能是由ccrA和ccrB的混雜活性產生的。

SCCmec原件整體片段在不同菌株中有一定差異，片段長度21kb-67kb不等，其元素高度多樣化，迄今已識別出13種類型(Ⅰ～XⅢ)[16]。SCCmec分型廣泛用于MRSA的流行病學監測，基于它們的mec基因復合物和ccr基因復合物的組合對SCCmec元件進行分類，以J區再進行亞分類。mec基因復合物有5類： A 型(IS431-mecA-mecR1-mecI)， B 型(IS431-mecA-△mecR1-IS1272)，C型(IS431-mecA-△mecR1-IS431)，D型(IS431-mecA-△mecR1)，E型(blaZ-mecC-mecR1-mecI)。Ccr基因復合物有8類，分別是1型(ccrA1B1)，2型(ccrA2B2)，3型(ccrA3B3)，4型(ccrA4B4)，5型(ccrC1)，6型(ccrA5B3)7型(ccrA1B6)，8型(ccrA1B3)和9型(ccrC2)。ccrC2發現于金黃色葡萄球菌分離株BA01611，其與ccrC1序列有62.6% 到69.4%的同源性，被命名為SCCmec XII型[17]。S.Baig等[18]在分離株MRSA ST152中發現了一種新的ccrC2基因，已收錄為 SCCmec XⅢ型。

重組酶活性并非特定于它們對應的SCCmec類型，由SCCmec類型I至IV編碼的ccrA和ccrB可以切除屬于這些SCCmec類型中的任一種SCCmec元件[19]。相比之下，ccrC似乎特異于其同源SCCmec 5型[20]。進一步了解探究ccr重組酶的功能對于探尋金黃色葡萄球菌譜系和其他葡萄球菌中SCCmec的宿主范圍可能有一定意義。在基因水平上，基于干擾或阻斷SCCmec轉移或促進其切除的目的，提供更多治療的機會，將MRSA逆轉為MSSA，也許可以為新藥的研發等提供可能。

2.1.2SCCmec轉移 SCCmec具有轉移性能，可在金黃色葡萄球菌的染色體中進行移動，即可使MSSA與MRSA相互轉變，同時其可通過捕獲外來DNA片段加以整合，使菌株獲得復雜的耐藥性。有實驗室在將IV型和I型SCCmec轉導到USA300MSSA菌株的實驗中，驗證了在受體菌株中需要存在β-內酰胺酶質粒[21]。然而該要求的基礎尚不清楚，但與MRSA的大多數臨床菌株也具備β-內酰胺酶的流行病學關聯具有一致性[22]。β-內酰胺酶質粒的存在，更具體地說是金黃色葡萄球菌產青霉素基因(blaZ)調節系統中的blaR基因存在，穩定了mecA的完整性和耐藥性的表達，這種效應可能與防止mecA有害的過表達需要有關。

金黃色葡萄球菌對SCCmec的獲取被限于有限數量的金黃色葡萄球菌譜系。多位點序列克隆復合物(CC)CC1，CC5，CC8，CC22，CC30和CC45在MRSA分離株中占優勢[23]。最初敏感菌株的耐藥譜系可通過不同國家的多個獨立的耐藥性轉移而產生，僅有限數量的譜系具有獲得SCCmec的能力，這可能是由于限制性修飾系統阻止基因以譜系特異性方式轉移到金黃色葡萄球菌中，如attB位點周圍的序列變異可能阻礙將SCCmec整合到某些菌株的染色體中[24]。宿主菌株的背景對mecA穩定性的影響也可能在菌株譜系中的SCCmec分布中發揮作用，并且可能與SCCmec相關的潛在適應能力差異有關[25]。

2.1.3甲氧西林耐藥性的調控 mecA基因的編碼受到其信號轉導系統影響，該系統由阻遏基因mecI，調控基因mecR組成。MecI通過與包含mecA啟動子和mecR1的SCCmec區域結合，進而抑制mecA和mecR1-mecI的轉錄[26]。MecR1是菌株細胞膜上的金屬蛋白酶，通過其細胞外青霉素結合結構域(PBD)檢測β-內酰胺的存在。在β-內酰胺介導的?；饔孟?，其構象變化誘導細胞內傳感器結構域的自催化切割，反過來直接或間接導致MecI的切割和失活。該過程阻礙MecI與啟動子區域的結合并誘導mecA轉錄。MecI的切割導致二聚體相互作用表面的喪失、解離和阻遏物釋放，進而引發mecA轉錄[27]。

然而，在許多金黃色葡萄球菌菌株中，mecI的過表達對甲氧西林耐藥表達沒有影響，該功能實際上由mecR2提供。mecR2是一種位于mecI下游的未被識別的基因，mecR2與mecR1和mecI一起從mecR1啟動子進行共轉錄，編碼一種結合MecI的抗抑制因子，破壞其與mecA啟動子的結合并促進其轉錄產物水解[28]。

2.1.4甲氧西林耐藥的異質性 大多數MRSA分離株的顯著特征是對β-內酰胺的耐藥性以異型或異源方式表達。這意味著即使來自單個菌落的接種物也可能產生耐藥性有差異的菌株，其中大多數菌株僅表現出低水平的抗性，有時僅略高于易感菌株所顯示的抗性。顯示均一的高水平抗性的分離物不常見，稱為同型或均質抗性。通過暴露于亞抑制濃度的莫匹羅星誘導反應，在一組不同的臨床分離株中誘導了高水平的同質耐藥性[29]。因此，臨床分離株中的高水平耐藥性可能是由誘導反應引起的突變，這可以解釋隨著抗生素的廣泛使用，引起耐藥株高水平耐藥的逐漸出現，對臨床醫生用藥方案及治療效果評估等方面有一定的參考價值。

菌株異質性到均質性耐藥的轉化還包含RNA聚合酶β-亞基基因(RNA polymerase β-subunit gene，rpoB)基因中的錯義突變、以及稱為鷹型(Eagle-type)耐藥的新型耐藥[30]。rpoB中的這些錯義突變改變了菌株參與自溶的基因的表達，導致菌株自溶活性降低。鷹型(Eagle-type)耐藥MRSA十分罕見，顯示出對甲氧西林高濃度耐藥但對較低濃度敏感的特殊性質。這一結果是由于mecI對mecA轉錄的強烈抑制，其在高甲氧西林濃度下被克服。

盡管mecA對于MRSA耐藥是必需的，但對異質性的討論表明它不是孤立地起作用并且非SCCmec基因影響耐藥性的表達。研究人員發現具有不同的MIC值的菌株可表達相當量的mecA和PBP2a，了解到菌株間耐藥水平的變化并不總是與PBP2a表達水平相關。許多研究確定了如fem(甲氧西林耐藥必需因子)，aux(輔助因子)或hmt(高甲氧西林耐藥)的基因[31]，以綜合評估菌株的最佳耐藥性。

2.2甲氧西林耐藥性與非mecA基因 邊界耐苯唑西林的金黃色葡萄球菌(BORSA)，顯示出對苯唑西林低水平的耐藥性。首次描述于1986年，其耐藥性可能與增強的β-內酰胺酶活性有關，動物模型實驗表明菌株在體內易受苯唑西林治療，臨床中暫無治療失敗的報道[32]。

另一種耐藥菌株，修飾金黃色葡萄球菌(MODSA)，其PBP中具有天然的修飾，不依賴于mecA基因即產生甲氧西林耐藥性。在臨床分離株中觀察到PBP2和其他PBP中的各種點突變[33]。在mecA陰性且β-內酰胺酶陰性感染的患者中，氯唑西林治療失敗的病例報告可能涉及這種分離株[34]。關于這些分離株的流行率的數據較少，需要注意的是它們在使用基于mecA或PBP2a的診斷分析時可能會被忽視。

許多臨床微生物實驗室推測這種菌株可能是mec陽性的MRSA編碼mecA的不同變異，稱為mecC。在英國牛乳腺炎的表型耐藥但mecA陰性的MRSA菌株的全基因組測序中發現，該等位基因與mecA具有69%的同源性，主要見于CC130和ST425[35]。mecC 在MRSA菌株相對罕見，現針對MRSA的PCR檢測技術已逐步開展對mecA和mecC的檢測，隨著更多實驗室測試mecC，將更好地理解它們的流行病學[36]。另外，mecA的基因同源物還有mecB、mecD。mecB首先發現于耐甲氧西林的大腸桿菌分離株JCSC540，在mecA及mecC基因均陰性的MRSA的中測得與之達100%序列同一性的基因，命名為mecB，該基因與mecA具有62%的同源性[37]。Schwendener等[38]報道了mecD，與mecA、mecB基因同源性約各占69%、61%。

對非mecA基因介導的甲氧西林耐藥方面相關研究報道較少，隨著對該領域的深入了解及探索，對于MRSA耐藥機制內容的豐富將邁上又一個臺階。

3 總 結

隨著抗生素的廣泛大量的使用，MRSA的臨床分離株日漸增多，多變的藥機制使得MRSA耐藥類型更加，“超級細菌”的出現給世界帶來恐慌，如何改善或避免當下的窘境，是醫務工作者需孜孜不倦探索與實踐的巨大挑戰。增強對MRSA菌株的精準檢測，爭取合理規范用藥，避免不恰當的抗生素治療刻不容緩。加強基因水平對MRSA的耐藥研究，更好地認識MRSA，尋求更具針對性的治療途徑，監控 MRSA感染的流行及爆發。