MecA基因及非MecA基因在MRSA耐药机制中的研究进展

汤兰兰 林洁如 综述 彭春红△ 张湘燕，* 审校

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563000；2.贵州省人民医院，贵州 贵阳 550000)

金黄色葡萄球菌(SA)作为最常见的条件致病菌，常引起严重的医院感染性疾病。随着抗生素在全世界范围内的广泛应用，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的临床分离率明显升高，同时其致病力强，治疗难度大，从而导致患者病死率高[1]。加强对MRSA耐药机制的研究显得尤为紧要。我们将对金黄色葡萄球菌中甲氧西林耐药的主要分子耐药机制进行综述，了解该领域最新进展。

1 背景

金黄色葡萄球菌是人类和动物的皮肤黏膜上的正常定植菌，通常对宿主不构成威胁，健康成人的定植率为5%～30%[2]。同时，金黄色葡萄球菌也可引起多种感染性疾病，包括的局部皮肤感染，各种脏器的急慢性感染，以及严重的脓毒血症等[3]。青霉素问世初期，金黄色葡萄球菌引起的感染性疾病得到大幅控制，但随着青霉素的广泛应用，部分菌株出现青霉素耐药[4]。1959年，甲氧西林问世，曾一度有效地控制了相关感染性疾病。仅2年后，世界首例耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)出现。20世纪60年代MRSA在欧洲、加拿大等许多国家陆续被发现，80年代其患病率在世界范围内急剧上升[5]。2016年美国和荷兰的流行病学数据分析显示，保守估计全世界有200万至5 300万人携带MRSA[6]。作为危及生命的医院感染的主要原因之一，MRSA感染死亡率高，住院时间长以及医疗费用负担重[7]，给临床工作者带来巨大挑战。

2 耐药机制

金黄色葡萄球菌的耐药性可以通过不同的途径获得，包括移动遗传元件的基因转移，造成外源耐药基因整合到菌株中进行表达，或自发基因突变等，这常导致多重耐药菌株的出现。MRSA菌株耐药主要由mecA基因所介导，许多研究发现约90%以上的MRSA均检出mecA基因，检出率极高[8-9]。

2.1甲氧西林耐药性与mecA基因 青霉素治疗金黄色葡萄球菌感染，主要是通过β-内酰胺与细胞表面的青霉素结合蛋白(PBP)相结合，干扰细菌细胞壁的肽聚糖合成中最关键的转肽作用，进而阻止细胞壁的生物合成[10]。目前已知可与β-内酰胺作用的金黄色葡萄球菌青霉素结合蛋白有PBP1，PBP2，PBP3，PBP4，PBP2b。金黄色葡萄球菌对大多数青霉素具有固有耐药性，即其耐药性通常是质粒原本携带的β-内酰胺酶基因所介导，然而对甲氧西林耐药却有所不同[11]。负责甲氧西林耐药的基因存在于耐药菌株染色体中的外源DNA区域，而不存在于敏感株。Tomasz实验室[12]进行的转移和转座子诱变实验，确认了MRSA中mecA基因的存在，其转录产物为一种新的PBP，称为PBP2a，使菌株对β-内酰胺结合力显着下降，对β-内酰胺药物耐药。对含有mecA的区域的测序结果揭示了一种独特的移动遗传元件SCCmec，存在于MRSA而不存在于敏感株中[13]。

2.1.1SCCmec SCCmec原件内包含 mec基因复合物(包含mecA及其调控基因mecI和mecR，mecA基因上下游的插入序列等)，盒式染色体重组酶(ccr)基因复合物，整合位点序列(ISS)，含有一个或两个位点特异性重组酶基因负责SCCmec的运动，通常是三个J区(J1-J3)。这些J区域被称为连接区域，具有重要功能，如编码对其他抗生素和重金属的抗性[14]。SCCmec元件的切除和整合由ccr编码的重组酶通过识别attB等序列而进行。ccrA和ccrB在底物识别并非特异，它们不仅可以作用于上述规范的重组位点，还可以作用于其他非经典的重组位点，如attSCC和attL，以及attSCC和attR[15]。这种活性不同于典型的重组酶家族成员，可能有助于SCCmec元件的基因可塑性。例如，精氨酸分解代谢移动元件(ACME)，毒性USA300克隆中的毒力因子，整合到attR位点的SCCmec中，而不同SCCmec元件的串联排列可能是由ccrA和ccrB的混杂活性产生的。

SCCmec原件整体片段在不同菌株中有一定差异，片段长度21kb-67kb不等，其元素高度多样化，迄今已识别出13种类型(Ⅰ～XⅢ)[16]。SCCmec分型广泛用于MRSA的流行病学监测，基于它们的mec基因复合物和ccr基因复合物的组合对SCCmec元件进行分类，以J区再进行亚分类。mec基因复合物有5类： 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基因复合物有8类，分别是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发现于金黄色葡萄球菌分离株BA01611，其与ccrC1序列有62.6% 到69.4%的同源性，被命名为SCCmec XII型[17]。S.Baig等[18]在分离株MRSA ST152中发现了一种新的ccrC2基因，已收录为 SCCmec XⅢ型。

重组酶活性并非特定于它们对应的SCCmec类型，由SCCmec类型I至IV编码的ccrA和ccrB可以切除属于这些SCCmec类型中的任一种SCCmec元件[19]。相比之下，ccrC似乎特异于其同源SCCmec 5型[20]。进一步了解探究ccr重组酶的功能对于探寻金黄色葡萄球菌谱系和其他葡萄球菌中SCCmec的宿主范围可能有一定意义。在基因水平上，基于干扰或阻断SCCmec转移或促进其切除的目的，提供更多治疗的机会，将MRSA逆转为MSSA，也许可以为新药的研发等提供可能。

2.1.2SCCmec转移 SCCmec具有转移性能，可在金黄色葡萄球菌的染色体中进行移动，即可使MSSA与MRSA相互转变，同时其可通过捕获外来DNA片段加以整合，使菌株获得复杂的耐药性。有实验室在将IV型和I型SCCmec转导到USA300MSSA菌株的实验中，验证了在受体菌株中需要存在β-内酰胺酶质粒[21]。然而该要求的基础尚不清楚，但与MRSA的大多数临床菌株也具备β-内酰胺酶的流行病学关联具有一致性[22]。β-内酰胺酶质粒的存在，更具体地说是金黄色葡萄球菌产青霉素基因(blaZ)调节系统中的blaR基因存在，稳定了mecA的完整性和耐药性的表达，这种效应可能与防止mecA有害的过表达需要有关。

金黄色葡萄球菌对SCCmec的获取被限于有限数量的金黄色葡萄球菌谱系。多位点序列克隆复合物(CC)CC1，CC5，CC8，CC22，CC30和CC45在MRSA分离株中占优势[23]。最初敏感菌株的耐药谱系可通过不同国家的多个独立的耐药性转移而产生，仅有限数量的谱系具有获得SCCmec的能力，这可能是由于限制性修饰系统阻止基因以谱系特异性方式转移到金黄色葡萄球菌中，如attB位点周围的序列变异可能阻碍将SCCmec整合到某些菌株的染色体中[24]。宿主菌株的背景对mecA稳定性的影响也可能在菌株谱系中的SCCmec分布中发挥作用，并且可能与SCCmec相关的潜在适应能力差异有关[25]。

2.1.3甲氧西林耐药性的调控 mecA基因的编码受到其信号转导系统影响，该系统由阻遏基因mecI，调控基因mecR组成。MecI通过与包含mecA启动子和mecR1的SCCmec区域结合，进而抑制mecA和mecR1-mecI的转录[26]。MecR1是菌株细胞膜上的金属蛋白酶，通过其细胞外青霉素结合结构域(PBD)检测β-内酰胺的存在。在β-内酰胺介导的酰化作用下，其构象变化诱导细胞内传感器结构域的自催化切割，反过来直接或间接导致MecI的切割和失活。该过程阻碍MecI与启动子区域的结合并诱导mecA转录。MecI的切割导致二聚体相互作用表面的丧失、解离和阻遏物释放，进而引发mecA转录[27]。

然而，在许多金黄色葡萄球菌菌株中，mecI的过表达对甲氧西林耐药表达没有影响，该功能实际上由mecR2提供。mecR2是一种位于mecI下游的未被识别的基因，mecR2与mecR1和mecI一起从mecR1启动子进行共转录，编码一种结合MecI的抗抑制因子，破坏其与mecA启动子的结合并促进其转录产物水解[28]。

2.1.4甲氧西林耐药的异质性 大多数MRSA分离株的显着特征是对β-内酰胺的耐药性以异型或异源方式表达。这意味着即使来自单个菌落的接种物也可能产生耐药性有差异的菌株，其中大多数菌株仅表现出低水平的抗性，有时仅略高于易感菌株所显示的抗性。显示均一的高水平抗性的分离物不常见，称为同型或均质抗性。通过暴露于亚抑制浓度的莫匹罗星诱导反应，在一组不同的临床分离株中诱导了高水平的同质耐药性[29]。因此，临床分离株中的高水平耐药性可能是由诱导反应引起的突变，这可以解释随着抗生素的广泛使用，引起耐药株高水平耐药的逐渐出现，对临床医生用药方案及治疗效果评估等方面有一定的参考价值。

菌株异质性到均质性耐药的转化还包含RNA聚合酶β-亚基基因(RNA polymerase β-subunit gene，rpoB)基因中的错义突变、以及称为鹰型(Eagle-type)耐药的新型耐药[30]。rpoB中的这些错义突变改变了菌株参与自溶的基因的表达，导致菌株自溶活性降低。鹰型(Eagle-type)耐药MRSA十分罕见，显示出对甲氧西林高浓度耐药但对较低浓度敏感的特殊性质。这一结果是由于mecI对mecA转录的强烈抑制，其在高甲氧西林浓度下被克服。

尽管mecA对于MRSA耐药是必需的，但对异质性的讨论表明它不是孤立地起作用并且非SCCmec基因影响耐药性的表达。研究人员发现具有不同的MIC值的菌株可表达相当量的mecA和PBP2a，了解到菌株间耐药水平的变化并不总是与PBP2a表达水平相关。许多研究确定了如fem(甲氧西林耐药必需因子)，aux(辅助因子)或hmt(高甲氧西林耐药)的基因[31]，以综合评估菌株的最佳耐药性。

2.2甲氧西林耐药性与非mecA基因 边界耐苯唑西林的金黄色葡萄球菌(BORSA)，显示出对苯唑西林低水平的耐药性。首次描述于1986年，其耐药性可能与增强的β-内酰胺酶活性有关，动物模型实验表明菌株在体内易受苯唑西林治疗，临床中暂无治疗失败的报道[32]。

另一种耐药菌株，修饰金黄色葡萄球菌(MODSA)，其PBP中具有天然的修饰，不依赖于mecA基因即产生甲氧西林耐药性。在临床分离株中观察到PBP2和其他PBP中的各种点突变[33]。在mecA阴性且β-内酰胺酶阴性感染的患者中，氯唑西林治疗失败的病例报告可能涉及这种分离株[34]。关于这些分离株的流行率的数据较少，需要注意的是它们在使用基于mecA或PBP2a的诊断分析时可能会被忽视。

许多临床微生物实验室推测这种菌株可能是mec阳性的MRSA编码mecA的不同变异，称为mecC。在英国牛乳腺炎的表型耐药但mecA阴性的MRSA菌株的全基因组测序中发现，该等位基因与mecA具有69%的同源性，主要见于CC130和ST425[35]。mecC 在MRSA菌株相对罕见，现针对MRSA的PCR检测技术已逐步开展对mecA和mecC的检测，随着更多实验室测试mecC，将更好地理解它们的流行病学[36]。另外，mecA的基因同源物还有mecB、mecD。mecB首先发现于耐甲氧西林的大肠杆菌分离株JCSC540，在mecA及mecC基因均阴性的MRSA的中测得与之达100%序列同一性的基因，命名为mecB，该基因与mecA具有62%的同源性[37]。Schwendener等[38]报道了mecD，与mecA、mecB基因同源性约各占69%、61%。

对非mecA基因介导的甲氧西林耐药方面相关研究报道较少，随着对该领域的深入了解及探索，对于MRSA耐药机制内容的丰富将迈上又一个台阶。

3 总 结

随着抗生素的广泛大量的使用，MRSA的临床分离株日渐增多，多变的药机制使得MRSA耐药类型更加，“超级细菌”的出现给世界带来恐慌，如何改善或避免当下的窘境，是医务工作者需孜孜不倦探索与实践的巨大挑战。增强对MRSA菌株的精准检测，争取合理规范用药，避免不恰当的抗生素治疗刻不容缓。加强基因水平对MRSA的耐药研究，更好地认识MRSA，寻求更具针对性的治疗途径，监控 MRSA感染的流行及爆发。