细菌生物被膜菌群间遗传物质的转移

９８　中国抗生素杂志２０１３年２月第３８卷第２期　文章编号：１００１—８６８９（２０１３）０２—００９８．０４　

细菌生物被膜菌群间遗传物质的转移　黄娟杨维青　赵祖国　（广东医学院医学检验学院临床微生物学教研室，东莞５２３８０８）　

摘要：细菌在环境中多以生物被膜的形式存在。细菌间的基因水平转移能使细菌在短时间内产生新的基因型菌株，改变物种　特征以适应环境的变化。从生物强化策略和生物被膜的结构特点来讲，在生物被膜菌群中细菌的基因水平转移更具优势和特点。　关键词：细菌生物被膜；基因水平转移　中图分类号：Ｑ３４３．１　文献标识码：Ａ　

Ｇｅｎｅｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｂｉｏｆｉｌｍ　

Ｈｕａｎｇ　Ｊｕａｎ，Ｙａｎｇ　Ｗｅｉ—ｑｉｎｇ　ａｎｄ　Ｚｈａｏ　Ｚｕ－ｇｕｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｌｉｎｉｃａｌ　ＭｉＣｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ　５２３８０８）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂｉｏｆｉｌｍ　ｉｓ　ａ　ｍａｊｏｒ　ｅｘｉｓｔ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｂａｃｔｅｒｉａ　ｉｎ　ｎａｔｕｒｅ．Ｂａｃｔｅｒｉａ　ｃｏｕｌｄ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｎｅｗ　ｇｅｎｏｔｙｐｅ　ｓｔｒａｉｎｓ　ｂｙ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｒｏｍ　ｏｎｅ　ｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｃｅｌｌ　ｔｏ　ａｎｏｔｈｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｗｏｕｌｄ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ａ　ｎｅｗ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｂｉｏｆｉｌｍ，ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｇｅｎｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｆｅａｒｕｒｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｉｏｆｉｌｍ　ｆｌｏｒａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｂｉｏｆｉｌｍ；Ｇｅｎｅｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　

基因水平转移（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｇｅｎｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ＨＧＴ）是　指遗传物质从一个生物体转移到另一个生物体基因　组中的现象。细菌问基因的水平转移非常活跃，它　能使细菌在短时间内产生新的基因型个体，改变物　种特征，以适应环境的变化，在细菌进化和物种形　成中具有重要意义。大多数细菌在环境中是以生物　被膜（ｂｉｏｆｉｌｍ）的形式存在的，生物被膜是细菌附着　于生物体或非生物体表面形成高度组织化、系统化　的微菌落膜性聚集物。生物被膜菌群的特性与浮游　菌相比有显著不同，如其构成的异质性、较高的抗　性等ｆ１＿，］。从生物强化策略和生物被膜的结构特点来　讲，在生物被膜菌群中，细菌基因的水平转移更具　优势和特点【　】。以生物被膜为背景，了解细菌间的　基因水平转移机制更有意义。　１　生物被膜菌群通过转化进行的基因转移　细菌通过摄取外源ＤＮＡ分子，将其重组于自　身基因组中，从而获得新的遗传性状，这一现象　称作转化（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）。作为转化发生的外在因　素，高浓度的外源ＤＮＡ会使转化率提高；而受体　菌是否处于感受态是转化发生的内在因素。研究　发现所有细菌均可释放ＤＮＡ于胞外，形成细胞外　ＤＮＡ（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ　ＤＮＡ，ｅＤＮＡ）。ＤＮＡ的释放受基　因调控，其释放量与细菌的生长及感受态相关ｌ７＿１”。　细菌生物被膜基质中也含有ｅＤＮＡ，研究发现ｅＤＮＡ　是生物被膜形成的必要成分。在生物被膜形成过程　中，ｅＤＮＡ分子可作为粘附素，促进细胞与基质、细　

收稿日期：２０１２—０９—１０　基金项目：国家自然科学￣（３０９０１２８６／Ｈ１９０１），广东省自然科学￣（８４５２４０２３０１Ｏ０１３２４），东莞市科技计划项［￣（ＤＫ０８２８）　广东省医学科研基金（Ａ２０１０４２１），广东省大学生创新实验项目（ＫＹ１０４３，ＫＹ１０４１）　作者简介：黄娟，女，￣１９８６年，在读研究生，主要从事细菌耐药性研究；　通讯作者：Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｗｑｇｙ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ　细菌生物被膜菌群间遗传物质的转移黄娟等　胞与细胞的连接，利于生物被膜的形成，对成熟生　物被膜也起到稳定作用［１２・１　３，　。随着生物被膜菌群　的密度增加，细菌释放ＤＮＡ和摄取ＤＮＡ的能力会显　著提高，转化率也大大提高，很多研究证明了这一　现象【　。　。如链球菌生物被膜菌群的ＤＮＡ转化率高　达４×ｌ０－３／每个细胞，链球菌的突变率比浮游状态下　高１０￣１］６００倍【ｌ　４ｌ。　Ｈｅｎｄｒｉｃｋｘ等［１５】在一个流动的反应槽中培养不　动杆菌ＢＤ４ｌ３菌株的生物被膜，向未成熟的、及成　熟的生物被膜中不断添加含有质粒ＤＮＡ的培养液，　结果发现随质粒ＤＮＡ浓度的增加，细胞的转化率也　有所提高；在新生的和生长活跃的生物被膜菌中，　质粒ＤＮＡ的转化率高于成熟的生物被膜菌。定量分　析发现当质粒ＤＮＡ浓度为１．２ｇｇ／ｍＬ时，转化率高达　２．４ｘ１０。／细胞，即使ＤＮＡ浓度小到１ｆｇ／ｍＬ时，依然可　以检测到转化的发生，而试验中质粒ＤＮＡ浓度并未　达到饱和水平。Ｌｉ　Ｙｕｎｇ—Ｈｕａ等学者【１４］通过基因分析　的方法发现基因转化的最佳阶段是生物被膜形成的　８Ｎｌ６ｈ之间。生物被膜形成的早期，由于刺激细菌　形成感受态的群体感应信号分子尚未达到足够的浓　度，故此时生物被膜菌不具有转化能力；在生物被　膜形成中期（ｓＮ１６ｈ的时候），细胞聚集成微菌落，　其间隔相连组成被膜，信号分子浓度随之提高，环　境中营养较充分，细菌生长活跃、大多处于感受　态、易于摄取外源ＤＮＡ，故被优先转化。而在成熟　或老化的生物被膜中，转化率则大大降低。其原因　可能是由于生物被膜的基质增多形成了扩散屏障，　使菌体不易摄取到外源ＤＮＡ；或由于菌体新陈代谢　水平低，没有能力摄取外源ＤＮＡ。　生物被膜中的基因转化也可发生在不同种的微　生物之间。有研究小幺且［　】将齿垢密螺旋体和格氏链球　菌混合培养，形成混合型生物被膜。在这个混合型的　生物被膜中，观察到一个非接合性的质粒从齿垢密螺　旋体释放到胞外，被其周围的格氏链球菌所摄取。　２　生物被膜菌群通过接合进行的基因转移　接合（ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ）是指供体菌和受体菌通过性　菌毛直接接触而传递大片段ＤＮＡ（以质粒ＤＮＡ为　主），使受体菌获得新的遗传性状的现象。细菌通　过接合可以传递耐药性、毒力和代谢相关的遗传性　状。接合是异源基因在细菌间播散最有效的机制，　多见于革兰阴性菌。在生物被膜这个密集的菌群　中，细菌间通过接合发生的基因转移可能是非常有　效率的。事实上，无论是在自然环境还是在实验室　条件下形成的生物被膜中，都观察到质粒的高效转　移　２　６］。　Ｌｉｃｈｔ等学者【　】将大肠埃希菌在悬浮状态和生物　被膜状态下通过接合进行的接合性质粒Ｒ１的转移做　了直接的比较。在液相中大肠埃希菌会以相对高的　密度悬浮，几乎所有受体菌都接受了质粒；而在生　物被膜系统中（有持续的营养物质供应），接合在短时　间内迅速完成并达到较高数量，但很快就不再有质　粒的进一步转移。Ｈａａｇｅｎｓｅｎ　０．２１］的研究发现，当　把供体细胞引入成熟的生物被膜中，也会发生质粒　转移。当供体细胞遇到被膜表面的受体细胞时，就　会在生物被膜微克隆群体的表面形成一层薄的接合　细胞层，表明质粒转移发生了；但是克隆群体里面　的受体细菌并未接受质粒。上述研究说明，在生物　被膜状态下，细菌质粒的接合转移的确是一个高效　的过程，即在相当短的时间里，生物被膜菌群中的　接合细胞就可达到有意义的比例；但是，在生物被　膜菌群中具有受体细胞潜质却没有接受质粒的细菌　占有较大比例，被膜内部菌群间的接合率很低。其　原因可能是生物被膜内部菌群的代谢水平低，细胞　的位置被细胞间的偶联分子（如细胞外聚合物质）所固　定，这在某种程度上阻碍或制约了细胞与细胞之间　借助菌毛的直接接触。　质粒接合转移效率很可能与生物量化的表面积　有关。高的表面积与体积比更有利于接合的发生：　游离细胞群的这个比率可能是最高的，会有完全的　接合转移；而生物被膜菌群中，这个比率最低，故　有相对低的转移率［２ｏ－２１】。在成熟的生物被膜中，细菌　的流动性可能会改变上述情况。若外层的细菌泳动　到微克隆群的中心部位，质粒很可能会以一种更加　有效的方式转移到生物被膜群落中［２２１。显然，结构　化、系统化的生物被膜为细菌间的接合提供了外在　的条件，即细菌间易于接触，但生物被膜的结构特　点和菌群的生理特性，又影响了接合的实际发生。　此外，若细菌菌毛发生缺陷，则菌体生物被膜的形　成能力会大大降低，质粒的接合率也显著降低［２３］。　耐药质粒通过接合在细菌间传递是细菌耐药性　播散的主要方式。在生物被膜菌群中，发现了一些　耐药相关质粒的接合转移，如介导对阿莫西林、链　霉素、磺胺类药和四环素的多重耐药的质粒ｐＢ１０（一　种广宿主范围质粒）可在生物被膜菌群中播散［２４－２６】。　Ｓｅｄｇｌｅｙ［２７１将与牙髓感染有关的粪肠链球菌和戈登链　球菌在体外牙根模拟系统中共同培养，发现携带红　中国抗生素杂志２０１３年２月第３８卷第２期　霉素抗性基因的质粒ｐＡＭ８ｌ在两者之间的转移。肠　杆菌科病原菌中常见的质粒ｐＯＬＡ５２　ｕ￣－在生物被膜菌　群中播散，该质粒介导耐药泵的形成，导致细菌对　喹乙醇（ｏｌａｑｕｉｎｄｏｘ）等药物的多重耐药［　。　毒力相关质粒在生物被膜菌群中也有接合转　移的发生。Ｏｎｇ等学者［：　］对引起导管相关尿路感染　的大肠埃希菌ＭＳ２０２７菌株进行了研究。该菌质粒　ｐＭＡＳ２０２７上携带了两种毒力基因，分别编码ＩＩＩ型　菌毛和Ⅳ型分泌素系统。大肠埃希菌ＭＳ２０２７与不　能形成生物被膜的菌株一起培养，发现这种不能　形成生物被膜的菌株可以通过接合方式获得质粒　ｐＭＡＳ２０２７。　３　以噬菌体为媒介进行的基因转移　在噬菌体与细菌相互作用中，噬菌体可导致细　菌的裂解，还可通过转导和溶原性转换两种形式的　进行基因的水平转移。转导（ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ）是以噬菌　体为媒介，将供体菌ＤＮＡ片段转移到受体菌内，使　受体菌获得新的遗传性状。溶原性转换（１ｙｓｏｇｅｎｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ），是指整合在宿主菌基因组的前噬菌体　可使宿主菌的表型发生改变。研究表明噬菌体对生　物被膜菌群一样能发生裂解作用［，ｏ一　］。噬菌体在感　染生物被膜菌群的同时，可能也会介导转导和溶原　性转换的发生，但目前还未见报道。目前的研究多　关注噬菌体对细菌生物被膜形成的影响。　近年来，研究者致力于寻找和研究能破环致病　菌生物被膜的噬菌体，以治疗生物被膜引起的感染　性疾病，取得了一定的进展［，ｚ。　。有学者尝试用噬菌　体提高生物被膜菌群对抗菌药物的敏感性，尤其针　对耐药菌。如当噬菌体与环丙沙星联合使用时，可　以减低或限制肺炎克雷伯菌Ｂ５０５５菌株的耐药突变，　提高该菌的药物敏感性及提高菌体对小鼠吞噬细胞　的敏感性ｌ３．　。也可利用温和性噬菌体使宿主菌发生　溶原性转换的特性，将前噬菌体插入或整合到宿主　菌与生物被膜形成相关的基因组中使其突变，从而　影响细菌生物被膜的形成。噬菌体作为防控生物被　膜的武器，应用于临床治疗和控制细菌性感染，还　有很多问题需要解决，如噬菌体的宿主谱窄、易受　机体的免疫系统排除及对机体的安全性等。　４　小结　细菌生物被膜的形成与生物被膜菌群中基因的　水平转移两者是互相影响和相互促进的。一方面细　菌生物被膜的结构特征，利于细菌间基因的水平转　移；而基因的水平转移对细菌生物被膜的形成和稳　定也有促进作用。在动态环境中，基因水平转移既　是生物被膜形成和发展的原因，也是其形成及发展　的结果。生物被膜菌群中高效的基因水平转移，不　仅是细菌的一种适应性能力的体现，也影响其物种　的发展和进化，如细菌通过遗传物质的频繁交换，　不断提高其致病性和耐药性。研究生物被膜内细菌　遗传物质的转移机制，对控制细菌性疾病具有重要　意义。