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大家好
我叫Philippe Glaser

我在巴黎的巴斯德研究院工作

在本课中

我将探讨抗生素使用

对细菌群落的影响

我们将讨论的问题有：

抗生素对细菌群落的影响
有哪些？

以及如何从基因组层面上
分析这些影响？

的确
抗生素会选择耐药谱系

它对微生物丛也有影响

众所周知

一些耐药细胞克隆已广泛传播

比如
有一种有名的金黄色葡萄球菌

耐甲氧西林，即USA300克隆

在美国占社区获得性

耐甲氧西林金葡菌的90%

一方面
抗生素耐药性

会让细菌对细菌产生抵抗

但这也有一定的适合度代价

适合度代价指的是
与获得对抗生素的耐药性相连的

增长率和存活率的降低

这也许能解释

为何酿脓链球菌和
无乳链球菌中的

β内酰胺抗药性很稀少

这也可能解释
为何金黄色葡萄球菌中

很少有对万古霉素的耐药性

为了降低这种适合度代价

有一种抑制性突变的选择

可以降低它

或者抗生素耐药性将出现在

某些适应度成本较低的
特定的谱系中

此外

抗生素的低剂量也将

对这种适应度成本产生影响

这个实验恰能阐明这一点

耐药的和敏感菌株之间的比率

在35代次中

得到测量

抗生素的浓度不同

符合最小抑菌浓度(MIC)

我们关于对红霉素耐药的
菌株所观察到的是

在达到四分之一MIC时
适合度成本就不存在了

在对四环素耐药的

含有Tn10的菌株中

我们观察到在MIC百分之一
这个非常低的剂量下

就已不再有适合度成本

也就是说
环境中的低剂量抗生素

可以促进耐药细胞克隆的选择

也就是说克隆不仅在
人类或动物寄主上被选择

也在环境中被选择

如何研究抗生素
对于细菌群落的影响呢？

首先
我们需要有个细菌抽样

在时间和空间中都要有

这可以通过从细菌菌株系列
中进行选择来完成

也可以通过为研究而进行
特定抽样来完成

所有这些菌株都具有特征
首先根据它们的表现型而异

从而也因其对不同抗生素的
耐药性而异

以及分类类型

这就意味着要确定
菌株间的关系

而如今最有效的办法
就是运用基因组测序

这项分析背后有很多生物信息

我么首先需要找到
这些菌株之间的所有差异

然后基于这种多形性
建立一个种系发展史

方法有很多种

但我们可以用最大概似法

或更偏向概率统计的方法
如贝叶斯分析法

比如它可以用来确定特定谱系
共同祖先的日期

也可以进行
数量统计预测

因此
为了阐明抗生素的影响

我将展示一个极端的案例
这就是无乳链球菌

或人体中的B族链球菌

这种细菌是机会致病菌

今天 它是新生儿感染的
主要原因

这种感染在1960年代
出现在美国和欧洲

它也是一种动物病原菌
会引起牛乳腺炎等疾病

我们提出的问题是：

出现新生儿感染的原因
究竟有哪些？

我们首先从不同的欧洲国家
选择出菌种

来自七个欧洲国家的菌种
在桑格研究所被排序

我们从法国国家科学研究中心
排序了法国的菌株

同时我们也有澳大利亚
和非洲的菌种

来自牛科动物的菌种

以及一些巴斯德研究院
收藏的老的菌种

是我们在1953年到1961年
之间分离出来的

我们对这些菌株的全基因组

进行了生物信息学分析

首先
我们进行了短序列组装

这使我们得出一幅全基因组草图

让我们得以识别出所有耐药基因
即“resistomes”

我们还对比着基因组模板
绘制出测序片段

以识别出所有的单核苷酸多态性

我们还进行了
系统进化分析

首先
对于230个菌株

我们观察到一幅非常特殊的图景

特定的菌株谱系
对应着克隆复合物

而在每个菌株谱系中

有一个或两个
新近弥散的克隆

它们显示出的多样性
水平很低

克隆复合物17谱系
尤其值得关注

因为它被视为具有高毒性

常作为新生儿感染的原因

当我们对这些谱系进行
贝叶斯分析时

我们观察到两个克隆
在二十世纪中期

出现并扩增

这恰好符合新生儿感染的出现

那这与抗生素有何关联呢？

事实上
我们知道源自人体的菌株

非常经常对四环素耐药

在某些研究中
所有菌株都对其耐药

这在牛的菌株上就没有那么频繁

当我们分析230个基因组时

我们观察到
人类菌株的绝大多数

都携带四环素抗性基因tet(M)

该基因由两种相似的转位子携带

Tn916和Tn5801

我们分析了这些转位子
在菌种中的分布

这里又一次出现毒性很高
的ST17谱系

我们观察到
所有这些红色的菌株

都携带相同的转位子
插入相同的位置

也就是说
被插入这个分支中

引向在1950年代开始传播
的共同祖先

对蓝色菌株来说也一样

这里
是转位子的插入

此处的菌株来自巴斯德研究院
收藏的1950年代的系列

最后对四环素的运用

导致从ST17中选择出少数克隆

也就是说
在使用四环素之前

也许
这种“危险”的克隆

是十分少见的

我们在不同谱系中
观察到同样的情况

基于此
我们提出了以下的模型

针对新生儿感染无乳链球菌
的出现

在1950年代前
B族链球菌曾有多种细菌群落

大部分不为人所知

但它很可能对四环素敏感

从1950年代开始
出现对四环素的广泛应用

这导致了对四环素耐药菌株的
筛选

通过对可动遗传因子的获得

这也消除了敏感菌株

并改变了肠道微生物

许多菌株很可能被选作
对四环素耐药的菌株

但在这些菌株中
很少克隆被筛选出来

因为它们有更显著的寄存
和传播特性

也许也因为
适合度代价更低

这些克隆广泛传播

很可能具有更高的潜在毒性

这就解释了疾病的出现

我们在B族链球菌的案例中
所解释的

也许对其他谱系也适用

我已在介绍部分中
展示了USA300谱系的案例

它对甲氧苯青霉素耐药
在美国

是社区获得性耐甲氧西林

金黄色葡萄球菌的绝大多数情况

而这种克隆也被视为具有高毒性

在艰难梭状芽胞杆菌的案例中

一个克隆得到传播
它就是ribotype 027

在这个克隆中
扩张很大程度上源于两种

对氟喹诺酮耐药的谱系

总结一下
抗生素的使用

是细菌群落发展中的
一个重要因素

它筛选出广泛扩散的克隆

这些克隆具有耐药性
而且往往毒性很高

然而 我应当说
人类行为中的其他变化

也促进了细菌群落的改变

感谢你的聆听

我希望通过这节课

你更好地理解了
抗生素使用更广泛的影响