黄娟;杨维青;赵祖国
分子蒸馏
【摘 要】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.%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,在生物被膜菌中细菌的基因水平转移更具优势和特点.【期刊名称】《中国抗生素杂志》
【年(卷),期】2013(038)002
【总页数】4页(P98-101)
【关键词】细菌生物被膜;基因水平转移
【作 者】黄娟;杨维青;赵祖国
【作者单位】广东医学院医学检验学院临床微生物学教研室,东莞523808;广东医学院医学检验学院临床微生物学教研室,东莞523808;广东医学院医学检验学院临床微生物学教研室,东莞523808
【正文语种】中 文
酒石酸钾钠
【中图分类】Q343.1
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。细菌间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[1-3]。从生物强化策略和生物
被膜的结构特点来讲，在生物被膜菌中，细菌基因的水平转移更具优势和特点[4-6]。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 生物被膜菌通过转化进行的基因转移巴林银行
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[7-11]。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[12-13,17-18]。随着生物被膜菌的密度增加，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[14-17]。如链球菌生物被膜菌的DNA转化率高达4×10-3 /每个细胞，链球菌的突变率比浮游状态下高10到600倍[14]。
Hendrickx 等[15]在一个流动的反应槽中培养不动杆菌BD413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1.2μg/mL时，转化率高达2.4×10-3/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8到16h之间。生物被膜形成的早期，由于刺激细菌形成感受态的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(8到16h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。有研究小组[16]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[19～26]。
Licht等学者[19]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等[20-21]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，生物被膜菌中的接合细胞就可达到有意义的比例；但是，在生物被膜菌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，被膜内部菌间的接合率很低。其原因可能是生物被膜内部菌的代谢水平低，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；而生物被膜菌中，这个比率最低，故有相对低的转移率[20-21]。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落中[22]。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。在生物被膜菌中，发现
横机罗纹
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)可在生物被膜菌中播散[24-26]。Sedgley[27]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，发现携带红霉素抗性基因的质粒pAM81在两者之间的转移。肠杆菌科病原菌中常见的质粒pOLA52可在生物被膜菌中播散，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[28]。
共振结构毒力相关质粒在生物被膜菌中也有接合转移的发生。Ong等学者[29]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(lysogenic 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一样能发生裂解作用[30-31]。噬菌体在感染生物被膜菌的同时，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，研究者致力于寻和研究能破环致病菌生物被膜的噬菌体，以生物被膜引起的感染性疾病，取得了一定的进展[32-34]。有学者尝试用噬菌体提高生物被膜菌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[3-33]。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。
2011年食品安全事件参考文献
[1]Häussler S, Parsek M R.Biofilms 2009: New perspectives at the heart of surface-associated microbial communities[J].Bacteriol, 2010, 192(12): 2941-2949.
[2]Kim Lewis.Riddle of biofilm resistance[J].Antimicrob Agents Chemother,2001, 45(4): 999-1007.
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