耐藥細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)及補(bǔ)償性進(jìn)化

耐藥細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)及補(bǔ)償性進(jìn)化楊焰;游雪甫;李聰然【摘要】細(xì)菌在獲得抗生素耐藥性后易于產(chǎn)生適應(yīng)性代價(jià)(fitnesscost),表現(xiàn)為在沒有抗生素存在時(shí),與野生型菌株相比,耐藥性突變株的生存能力、轉(zhuǎn)移速率和毒力的降低.然而,耐藥菌可通過進(jìn)化恢復(fù)其適應(yīng)性,這種能使適應(yīng)性上升的過程稱為“補(bǔ)償性進(jìn)化(compensatoryevolution)”?本文綜述了耐藥菌的適應(yīng)性代價(jià)產(chǎn)生的原因、研究方法、研究進(jìn)展及補(bǔ)償性進(jìn)化的機(jī)制,并討論了適應(yīng)性代價(jià)研究過程中存在的問題及展望.期刊名稱】《中國抗生素雜志》年(卷),期】2019(044)007【總頁數(shù)】9頁(P784-792)【關(guān)鍵詞】細(xì)菌;抗生素耐藥;適應(yīng)性代價(jià);補(bǔ)償性進(jìn)化【作者】楊焰;游雪甫;李聰然【作者單位】中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所藥理研究室,抗感染藥物研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100050;中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所藥理研究室,抗感染藥物研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100050;中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所藥理研究室,抗感染藥物研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100050【正文語種】中文中圖分類】R9隨著人類相關(guān)病原菌的抗生素耐藥性(antimicrobialresistance,AMR)不斷地被報(bào)道，人類利用抗生素治療感染性疾病的樂觀情緒不斷下降。世界衛(wèi)生組織的有關(guān)資料顯示，每年全球死于抗生素耐藥的約有70萬人［1］。2016年9月19日公布的一份研究報(bào)告顯示［2］，到2050年，耐藥感染的醫(yī)療費(fèi)用將占到全世界生產(chǎn)總值的1.1%~3.8%，按照目前的發(fā)展趨勢，到2050年，細(xì)菌耐藥問題每年將會奪走1000萬人的生命，而“超級細(xì)菌”也將導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)損失達(dá)61000億美元?？股氐倪^度使用對細(xì)菌施加了強(qiáng)烈的選擇壓力，促進(jìn)了抗生素耐藥菌株的進(jìn)化和傳播，導(dǎo)致耐藥危機(jī)的產(chǎn)生。當(dāng)前，解決這一危機(jī)的兩個(gè)主要策略是限制抗生素的使用和開發(fā)新型抗菌藥物［3］。限制抗生素的使用被認(rèn)為不僅可以降低抗生素的使用量，也有利于消除耐藥菌，隱含其中的機(jī)制是獲得耐藥性降低了耐藥菌的適應(yīng)性［4］，即產(chǎn)生了適應(yīng)性代價(jià)(fitnesscost)，使得耐藥菌在抗生素選擇壓力消失時(shí)難以與敏感菌競爭，從而很快從群體中被清除。耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)能夠影響耐藥菌的種群動(dòng)態(tài)，包括耐藥菌出現(xiàn)的速率、抗生素存在下耐藥菌的穩(wěn)定數(shù)量以及選擇壓力移除后耐藥菌的消失速率，因此適應(yīng)性代價(jià)有助于預(yù)測耐藥性的進(jìn)化軌跡［5］，進(jìn)而指導(dǎo)抗生素在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的合理使用；適應(yīng)性代價(jià)還有助于設(shè)計(jì)具有新型作用機(jī)制的抗菌藥物，例如開發(fā)可以與抗生素聯(lián)合使用以抑制耐藥性進(jìn)化、降低細(xì)菌適應(yīng)性的輔助藥物來增加目前使用的抗生素的敏感性，從而延長當(dāng)前抗生素的使用壽命［6］?？傊瑥南拗瓶股氐氖褂煤烷_發(fā)新型抗菌藥物兩個(gè)方面來講，耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)對控制耐藥危機(jī)都具有重要的意義。然而，耐藥菌可通過進(jìn)化進(jìn)一步積累其他特定突變來改善適應(yīng)性代價(jià)，這種能使其適應(yīng)性上升的突變稱為“補(bǔ)償性進(jìn)化(compensatoryevolution)”［7］,補(bǔ)償性進(jìn)化通過各種不同的機(jī)制回復(fù)耐藥菌的適應(yīng)性代價(jià)，導(dǎo)致耐藥菌的轉(zhuǎn)移速率、毒力、生存能力的增強(qiáng)，這使得利用適應(yīng)性代價(jià)逆轉(zhuǎn)耐藥性的愿景變得似乎十分困難。適應(yīng)性代價(jià)和補(bǔ)償性突變是細(xì)菌耐藥性進(jìn)化的重要環(huán)節(jié)，本文綜述了細(xì)菌病原體抗生素耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)產(chǎn)生的原因、研究方法、研究進(jìn)展及補(bǔ)償性進(jìn)化的機(jī)制，并討論了適應(yīng)性代價(jià)研究中存在的問題及展望。適應(yīng)性代價(jià)產(chǎn)生的原因細(xì)菌耐藥的遺傳機(jī)制主要包括3種［8］：一是染色體介導(dǎo)的耐藥性，是指細(xì)菌本身固有的耐藥性或者通過染色體突變產(chǎn)生的耐藥性；二是轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的耐藥性，轉(zhuǎn)座子是基因組中可以從一個(gè)位點(diǎn)向另一個(gè)位點(diǎn)移動(dòng)的一段DNA序列，轉(zhuǎn)座時(shí)可以攜帶外來的耐藥基因，從而賦予微生物對抗生素藥物的耐藥性；三是質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性，質(zhì)粒是一種獨(dú)立存在的、可自身復(fù)制的染色體外的基因成分，通過接合或轉(zhuǎn)導(dǎo)作用在不同細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移，從而賦予細(xì)菌耐藥性。細(xì)菌在面對抗生素選擇壓力時(shí)，可以通過以上變異機(jī)制獲得耐藥性，而當(dāng)抗生素壓力解除時(shí)，由于這些突變改變了其體內(nèi)在生理生化中起關(guān)鍵作用酶的結(jié)構(gòu)，某些耐藥機(jī)制會成為菌株的額外負(fù)擔(dān)，從而產(chǎn)生適應(yīng)性代價(jià)，表現(xiàn)為在沒有抗生素存在時(shí)，與野生型菌株相比，耐藥性突變株生存能力、轉(zhuǎn)移速率和毒力的降低［9］。如果某一耐藥機(jī)制的適應(yīng)性代價(jià)很大，在不存在抗生素壓力的情況下，耐藥菌株將無法與野生型菌株競爭，從而很快從群體中被清除。因此，對特定菌株的特定耐藥機(jī)制進(jìn)行適應(yīng)性代價(jià)評估，有助于更加全面的理解細(xì)菌病原體抗生素耐藥性的進(jìn)化軌跡。適應(yīng)性代價(jià)的研究方法細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)主要通過兩種方法來衡量，一種是在流行病學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)模型擬合抗生素的使用量與耐藥菌株頻率變化的函數(shù)關(guān)系。Austin等［10］采用種群遺傳學(xué)方法結(jié)合流行病學(xué)數(shù)據(jù)，分析了施加抗生素選擇壓力對耐藥性的影響，以及抗生素使用量與耐藥菌株頻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)P-內(nèi)酰胺類和青霉素耐藥適應(yīng)性成本很低，隨著P-內(nèi)酰胺類和青霉素使用量的增加，耐藥菌的產(chǎn)生頻率增加，但二次感染的能力降低；Whittles等［11］建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，模擬了英格蘭頭孢克肟敏感菌和耐藥菌的發(fā)展史和傳播方式，并擬合了2008—2015年間Gonorrhoea感染的診斷和處方數(shù)據(jù)，認(rèn)為適應(yīng)性代價(jià)是2012年后耐藥菌檢出頻率降低的主要原因；Salvatore等［12健立了一個(gè)以家庭為單位的病例對照研究，從流行病學(xué)的角度評價(jià)了耐藥菌的適應(yīng)性。數(shù)學(xué)模型能夠在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上預(yù)測細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)，客觀地反映抗生素與耐藥性的關(guān)系，量化維持和發(fā)展耐藥性的作用力。但是，數(shù)學(xué)模型的參數(shù)不能將所有的影響因素納入計(jì)算，應(yīng)用函數(shù)擬合只是大體上的估計(jì)，存在統(tǒng)計(jì)偏差。適應(yīng)性代價(jià)衡量的另一種方法是實(shí)驗(yàn)性方法，有部分文獻(xiàn)是在相同的培養(yǎng)條件下，分別測量突變型菌株和野生型菌株的生長速度，通過比較生長速度的差別來評價(jià)適應(yīng)性（圖1a）。而在大量文獻(xiàn)中被廣泛使用的方法是競爭性實(shí)驗(yàn)，該方法被認(rèn)為是衡量適應(yīng)性的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，其原理是將耐藥突變菌株與缺乏該突變的野生型菌株共培養(yǎng)時(shí)，適應(yīng)性高的菌株計(jì)數(shù)將超過適應(yīng)性較差的菌株，通過監(jiān)測野生型菌株和耐藥菌株隨時(shí)間推移相對菌計(jì)數(shù)的變化來衡量適應(yīng)性。競爭實(shí)驗(yàn)包括體外實(shí)驗(yàn)（圖1b）和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（圖1c），體外實(shí)驗(yàn)通常在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基中進(jìn)行，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中進(jìn)行。為了便于區(qū)分突變型與野生型，通過用lacZ+/lacZ-或者cfp/yfp熒光蛋白基因進(jìn)行菌株標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)過程中，在無抗生素的條件下將突變型和野生型菌株按照1:1的比例混合培養(yǎng)，進(jìn)行連續(xù)傳代培養(yǎng)，監(jiān)測一定時(shí)間內(nèi)（通常為24h）突變型和野生型菌株的數(shù)量，通過相對菌計(jì)數(shù)比例的變化來推斷突變型的適應(yīng)性，如果突變菌株具有適應(yīng)性代價(jià)，則其比例將降低，適應(yīng)性通常用選擇系數(shù)⑸來表示，選擇系數(shù)的計(jì)算主要有如下兩種方法。Lenski等［14］提出的選擇系數(shù)計(jì)算方法如下：sl=（突變株倍增數(shù)/野生株倍增數(shù)）-1Dykhuizen［15］估計(jì)選擇系數(shù)的公式如下：圖1適應(yīng)性代價(jià)的實(shí)驗(yàn)性測量［13］Fig.1Determiningfitnessofbacterialstrains[13](a):體外測量突變型菌株和野生型菌株的生長速度；(b):體外競爭實(shí)驗(yàn)；(c):體內(nèi)競爭實(shí)驗(yàn)sd=[ln(n1f/n1i)-ln(n2f/n2i)]/No.ofgenerations其中，n1f和n1i是指在競爭結(jié)束時(shí)和開始時(shí)突變型菌株的數(shù)量，n2f和n2i是指在競爭結(jié)束和開始時(shí)野生型菌株的數(shù)量。這兩種計(jì)算方式在文獻(xiàn)中都被廣泛采用[16-17]，但沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該選擇哪種方法。Melnyk等[18]認(rèn)為sl缺少代時(shí)這一重要的參數(shù)，他們采用了一個(gè)簡單的生長模型評價(jià)了這兩種方法的聯(lián)系，認(rèn)為si與sd之間存在緊密的線性關(guān)系，當(dāng)競爭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了4代及更多代后,sl是sd的1.7倍。適應(yīng)性的測量方法的不同會導(dǎo)致耐藥菌株適應(yīng)性代價(jià)的評價(jià)結(jié)果的差異，隨著分子生物學(xué)與生物信息學(xué)的發(fā)展，如今大部分的研究采用分子標(biāo)記的競爭實(shí)驗(yàn)測量細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)，與僅僅以生長速度表征適應(yīng)性的方法相比，競爭實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛎枋黾?xì)菌全部生長周期的情況，包括生長速度、細(xì)菌的生理變化、毒力和轉(zhuǎn)移率等。然而，競爭性實(shí)驗(yàn)并不一定能檢測到小的適應(yīng)性效應(yīng)，需要與數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)預(yù)測相結(jié)合進(jìn)行測量；競爭性實(shí)驗(yàn)也不能完全的反映細(xì)菌獲得耐藥性后的生理變化，在關(guān)注相對菌計(jì)數(shù)變化的同時(shí)還應(yīng)該關(guān)注菌株全面的生理變化，綜合考量細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)；另外，具體的宿主環(huán)境可以決定不同機(jī)制的抗生素耐藥適應(yīng)性成本，體外測量的結(jié)果可能無法完全反映臨床環(huán)境中的情況，還應(yīng)結(jié)合臨床研究和流行病學(xué)數(shù)據(jù)來評價(jià)細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)。細(xì)菌耐藥的適應(yīng)性代價(jià)以“bacterialantibioticresistance”和“fitnesscost”為關(guān)鍵詞在PubMed數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，共檢索到253篇文獻(xiàn)，其他文獻(xiàn)通過這些文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行回溯式檢索。這些研究通過體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)了不同細(xì)菌的耐藥性適應(yīng)性代價(jià)，本研究將近年來耐藥性細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)(表1)，對所統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)進(jìn)行簡要的分析發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)菌種群的復(fù)雜性，適應(yīng)性代價(jià)的測量結(jié)果也受到許多因素的影響，如細(xì)菌耐藥的遺傳機(jī)制、適應(yīng)性代價(jià)的測量環(huán)境、測量范圍等。適應(yīng)性代價(jià)與耐藥遺傳機(jī)制細(xì)菌耐藥性一般通過染色體突變或者攜帶耐藥基因的移動(dòng)元件介導(dǎo)產(chǎn)生。Vogwill［53］采用Meta分析已發(fā)表的關(guān)于適應(yīng)性代價(jià)的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相對于染色體突變介導(dǎo)的耐藥性，由質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性產(chǎn)生的適應(yīng)性代價(jià)更低，可能的原因是染色體突變介導(dǎo)的耐藥進(jìn)化是一種從頭進(jìn)化(denovoevolution)，細(xì)菌不可能從最初就具有適應(yīng)性來抵消這些基因突變產(chǎn)生的代價(jià)，而耐藥性質(zhì)粒在之前的宿主中就已經(jīng)經(jīng)歷過一次選擇，導(dǎo)致適應(yīng)性代價(jià)的相對降低，這也許可以解釋為什么由質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性更加普遍。該文獻(xiàn)還分析發(fā)現(xiàn)相同的質(zhì)粒在不同的宿主中適應(yīng)性代價(jià)不同，說明耐藥性質(zhì)粒的適應(yīng)性代價(jià)與宿主菌的遺傳背景有關(guān)，這一觀點(diǎn)在染色體突變介導(dǎo)的耐藥性中也得到證明，例如在Campylobaterjejuni中，其gyrA基因C257T位點(diǎn)發(fā)生點(diǎn)突變后產(chǎn)生耐藥性，Southern等［19］通過體內(nèi)競爭實(shí)驗(yàn)測定不同突變菌的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)菌株遺傳背景不同的菌株適應(yīng)性代價(jià)不同。適應(yīng)性代價(jià)隨環(huán)境的變化而不同實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)隨著環(huán)境的變化而不同，甚至同一種突變在不同環(huán)境中，產(chǎn)生的代價(jià)也不同［54］，其內(nèi)在機(jī)制目前有幾種假說。代謝控制理論(metaboliccontroltheory)［55］認(rèn)為在不同的環(huán)境下，細(xì)菌對突變靶酶的活性有不同水平的需求，酶活性的變化將導(dǎo)致細(xì)菌突變體的適應(yīng)性變化。Hall等［39］通過添加核糖體抑制劑間接抑制轉(zhuǎn)錄速率從而降低RNA聚合酶的需求，導(dǎo)致銅綠假單胞菌對利福平的耐藥性成本降低，證明了該理論。另一種假說認(rèn)為適應(yīng)性代價(jià)在壓力條件下或營養(yǎng)匱乏的環(huán)境中增加［24］，但最近有研究發(fā)現(xiàn)耐藥突變菌在營養(yǎng)受到限制的培養(yǎng)基中，相對于野生型菌株適應(yīng)性更高［25］。適應(yīng)性代價(jià)隨環(huán)境的變化而變化，體外的競爭實(shí)驗(yàn)與體內(nèi)的競爭實(shí)驗(yàn)往往有差異，有的體內(nèi)外結(jié)果甚至完全不同，這提示在適應(yīng)性代價(jià)研究過程中應(yīng)盡可能模擬細(xì)菌生長的真實(shí)環(huán)境，使體外測量結(jié)果與體內(nèi)測量結(jié)果相協(xié)調(diào)。表1耐藥細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)Tab.1Thefitnesscostofdrug-resistantbacteria?有些耐藥性“沒有代價(jià)”抗生素耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)是決定耐藥菌進(jìn)化成功的關(guān)鍵參數(shù)，但在細(xì)菌的適應(yīng)性代價(jià)的檢測中發(fā)現(xiàn)有些耐藥性并“沒有代價(jià)”或者表現(xiàn)出很低的代價(jià)，Baker等［22］采用改進(jìn)后的經(jīng)典競爭實(shí)驗(yàn)方法，檢測了傷寒沙門菌(Salmonellatyphi)由于gyrA和parC基因突變導(dǎo)致對氟喹諾酮耐藥的適應(yīng)性代價(jià)，發(fā)現(xiàn)即使在抗生素不存在的情況下，11個(gè)耐藥菌株中有6個(gè)相較于敏感菌株具有顯著的適應(yīng)優(yōu)勢。對于這類沒有適應(yīng)性代價(jià)且依然保持高水平耐藥性的細(xì)菌，應(yīng)該引起更多的關(guān)注，因?yàn)檫@可能是臨床上治療相關(guān)耐藥菌失敗的原因［56］。某些耐藥菌的適應(yīng)性代價(jià)“沒有成本”，可能的原因是檢測手段過于單一，檢測的方法或者檢測的維度不足，這提示我們應(yīng)該進(jìn)行多方面的檢測，包括體內(nèi)外的適應(yīng)性評價(jià)、細(xì)菌毒力的檢測、轉(zhuǎn)移率的評價(jià)等。另外，研究適應(yīng)性代價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法具有局限性，小的負(fù)向和正向效應(yīng)不易與中性事件區(qū)分［57］，從而導(dǎo)致某些耐藥細(xì)菌“沒有成本”。4補(bǔ)償性進(jìn)化細(xì)菌獲得耐藥性產(chǎn)生適應(yīng)性代價(jià)，使人們認(rèn)為可以通過減少抗生素的使用降低耐藥性細(xì)菌的產(chǎn)生頻率，從而逆轉(zhuǎn)細(xì)菌的耐藥性。但適應(yīng)性代價(jià)可以通過補(bǔ)償進(jìn)化得到改善［58］，在動(dòng)物模型或培養(yǎng)基中進(jìn)行連續(xù)傳代以后發(fā)現(xiàn)雖然有些耐藥菌的耐藥性消失，但大部分耐藥菌的耐藥性依然保持［59］。補(bǔ)償性進(jìn)化被認(rèn)為是在沒有抗生素壓力下耐藥菌長時(shí)間持留的原因［45］。目前，補(bǔ)償性進(jìn)化的機(jī)制主要包括以下幾種：二次突變、異位顯性(epistasis)效應(yīng)、基因重復(fù)(geneduplication)和非突變性補(bǔ)4.1二次突變二次位點(diǎn)突變在適應(yīng)性代價(jià)的補(bǔ)償機(jī)制中廣泛存在［60］，是指細(xì)菌在積累某個(gè)基因的耐藥突變后，在該基因或其他功能相關(guān)基因上積累另外的突變，通過調(diào)整蛋白或蛋白復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)來回補(bǔ)耐藥突變導(dǎo)致的功能損傷，包括基因內(nèi)和基因外的二次補(bǔ)償突變。最近的研究發(fā)現(xiàn)在體外實(shí)驗(yàn)中，結(jié)核分枝桿菌rpoBS450L突變介導(dǎo)的利福平耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)，可以通過rpoB基因內(nèi)的累積突變得到補(bǔ)償［61］。而在小鼠模型中，有研究發(fā)現(xiàn)對鏈霉素、利福平和萘啶酸耐藥的鼠傷寒沙門菌突變株大部分適應(yīng)性降低，但補(bǔ)償性進(jìn)化實(shí)驗(yàn)后，由于rpsL基因突變產(chǎn)生的對鏈霉素耐藥的適應(yīng)性代價(jià)通過rpsL基因內(nèi)突變以及rpsD、rpsE基因外突變得到了補(bǔ)償，gyrA突變產(chǎn)生的對萘啶酸耐藥的適應(yīng)性代價(jià)通過gyrA基因內(nèi)突變得到了補(bǔ)償，rpoB突變產(chǎn)生的對利福平耐藥的適應(yīng)性代價(jià)通過rpoB基因內(nèi)突變得到了補(bǔ)償［4］。大部分的二次突變研究關(guān)注于靶標(biāo)改變引起的耐藥性，Knopp等［62］研究了由外膜孔蛋白缺少而導(dǎo)致的耐藥性所賦予的適應(yīng)性是如何得到遺傳補(bǔ)償?shù)模麄儼l(fā)現(xiàn)適應(yīng)性代價(jià)可以通過兩種突變機(jī)制得到改善，一是phoR和pstS基因的突變導(dǎo)致PhoE孔蛋白的組成性高水平表達(dá)；二是hfq和chiX基因的突變破壞Hfq依賴性小RNA調(diào)節(jié)，導(dǎo)致ChiP孔蛋白的過表達(dá)。4.2異位顯性效應(yīng)異位顯性原來的含意是指某一基因受不同位點(diǎn)上別的基因抑制而不能表達(dá)的現(xiàn)象［63］，而在群體遺傳學(xué)和數(shù)量遺傳學(xué)中指的是非等位基因的遺傳效應(yīng)的非相加性作用。異位顯性效應(yīng)對適應(yīng)性成本的影響體現(xiàn)在：正向異位顯性效應(yīng)能減少或消除適應(yīng)性代價(jià)，負(fù)向異位顯性效應(yīng)能增加適應(yīng)性代價(jià)［64］。異位顯性效應(yīng)在細(xì)菌耐藥性的進(jìn)化中發(fā)揮著重要的作用［5］，在大腸埃希菌中，由拓?fù)洚悩?gòu)酶中突變引起的對氟喹諾酮類藥物的耐藥性依賴于藥物外排系統(tǒng)基因［65］；在分枝桿菌中，體外競爭實(shí)驗(yàn)揭示了利福平耐藥（rpoB基因突變）和喹諾酮類耐藥（gyrA基因突變）之間的異位顯性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同的耐藥基因突變組合產(chǎn)生的適應(yīng)性代價(jià)差異顯著［66］。異位顯性效應(yīng)是一種常見的現(xiàn)象，在其他的細(xì)菌如鼠傷寒沙門菌［67］、銅綠假單胞菌［68］等也被觀察到，能夠影響細(xì)菌耐藥性的進(jìn)化軌跡，對這種相互作用更深入的理解將有助于預(yù)測細(xì)菌耐藥性的發(fā)展。4.3基因重復(fù)基因重復(fù)是一種普遍的生物學(xué)過程，它最顯著的貢獻(xiàn)就是為生物的進(jìn)化提供了最原始的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，通過突變和選擇的作用，重復(fù)基因可以增強(qiáng)生物本身的耐藥能力例如抗生素耐藥性能力，從而改變耐藥菌的適應(yīng)性［69］。Nilsson等［70］構(gòu)建了對肽去甲酰酶抑制劑具有耐藥性的Salmonellaenterica突變株，在沒有抗生素的情況下，這些耐藥性突變賦予細(xì)菌適應(yīng)性代價(jià)，通過在沒有抗生素的培養(yǎng)基中連續(xù)傳代，發(fā)現(xiàn)fmt/folD基因的突變可以部分改善適應(yīng)性代價(jià)，在外源性補(bǔ)償?shù)膄mt突變體中，大約1/3攜帶相同的、重復(fù)的metZ和metW基因，這些重復(fù)基因編碼產(chǎn)生高水平的tRNAi，tRNAi水平的升高補(bǔ)償了甲?；D(zhuǎn)移酶活性的缺乏，并允許翻譯起始以非甲?；琢虬滨RNAi進(jìn)行，因此增加了耐藥菌的適應(yīng)性。雖然基因重復(fù)在細(xì)菌耐藥性的獲得和補(bǔ)償性進(jìn)化中十分普遍，但是重復(fù)基因尤其是小的重復(fù)片段，與突變基因相比穩(wěn)定性低，不易識別和研究［69］，基因組測序方法和生物信息學(xué)的發(fā)展將有助于基因重復(fù)的研究。4.4非突變性補(bǔ)償以上的研究表明，抗生素耐藥機(jī)制賦予的適應(yīng)性成本可以通過基因內(nèi)或基因外第二位點(diǎn)的突變或者重復(fù)基因而得到改善，且通常沒有耐藥性的喪失。而研究得較少的一個(gè)潛在的補(bǔ)償機(jī)制是通過調(diào)控細(xì)菌生理變化來改善適應(yīng)性代價(jià)，由于生理反應(yīng)非常迅速，因此這種機(jī)制難以被確定。Olivares等［71］的研究最早提供了例證，他們發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌通過代謝重新連接(metabolicrewiring)以增加有氧呼吸，使過度表達(dá)藥物外排泵MexEF-OprN賦予的適應(yīng)性代價(jià)產(chǎn)生的有害作用降低。Freihofer等［72］也發(fā)現(xiàn)分枝桿菌通過過表達(dá)tlyArRNA甲基化酶，甲基化相鄰16SrRNAC1409位點(diǎn)使tlyA表達(dá)增加，導(dǎo)致16SrRNA中的點(diǎn)突變（特別是A1408G突變）產(chǎn)生的耐藥性所賦予的適應(yīng)性代價(jià)顯著降低。Olivares等［73］最近構(gòu)建了一組獨(dú)立過表達(dá)MexAB-OprM、MexCD-OprJ或MexXY夕卜排泵的銅綠假單胞菌突變株，發(fā)現(xiàn)代謝補(bǔ)償可能是抗生素耐藥性銅綠假單胞菌突變株過量表達(dá)外排泵適應(yīng)性代價(jià)補(bǔ)償?shù)耐ㄓ脵C(jī)制。Zampieri等［74］結(jié)合代謝組學(xué)方法和基因組測序，建立了一種新的模型，分析了代謝作用對于細(xì)菌耐藥性進(jìn)化的影響，證明了抗生素耐藥性的條件依賴性補(bǔ)償機(jī)制。關(guān)于非突變性補(bǔ)償機(jī)制的研究不斷在增加，說明這一機(jī)制正在引起人們的重視，關(guān)注細(xì)菌的生理變化不僅有助于全面認(rèn)識細(xì)菌的進(jìn)化過程，而且某些可對細(xì)菌產(chǎn)生不利影響生理變化可能有助于藥物的設(shè)計(jì)、細(xì)菌感染治療方案和干預(yù)策略的制定。5結(jié)語與展望適應(yīng)性代價(jià)被認(rèn)為可以限制耐藥性細(xì)菌病原體的持留和傳播，因此可能成為逆轉(zhuǎn)耐藥性的方法之一，但是在沒有抗生素的情況下，補(bǔ)償性進(jìn)化可使細(xì)菌在保持耐藥性的情況下適應(yīng)性代價(jià)得到改善。目前，對抗生素耐藥性的適應(yīng)性代價(jià)、補(bǔ)償性進(jìn)化的研究還存在諸多問題，例如適應(yīng)性代價(jià)和補(bǔ)償進(jìn)化是否依賴于抗生素或物種，如果具有依賴性，其內(nèi)在機(jī)制是什么？適應(yīng)性代價(jià)的大小是否與給定突變賦予的耐藥性水平存在相關(guān)性？體卜測量結(jié)果如何與體內(nèi)測量結(jié)果相協(xié)調(diào)？實(shí)驗(yàn)性測量結(jié)果如何與臨床觀察結(jié)果相協(xié)調(diào)？補(bǔ)償性進(jìn)化的機(jī)制也不足以解釋所有觀察到的現(xiàn)象，存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床研究的差異。臨床研究發(fā)現(xiàn)抗生素使用停止后，病原體的耐藥性通常會下降，這表明補(bǔ)償性進(jìn)化可能在體內(nèi)無效［75］。隨著分子生物學(xué)與生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，相信此類問題會被逐步解答，其將有助于我們更好地預(yù)防和控制細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生和發(fā)展?？股啬退幮援a(chǎn)生的適應(yīng)性代價(jià)以及補(bǔ)償性進(jìn)化是細(xì)菌進(jìn)化的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對特定菌株的特定耐藥機(jī)制進(jìn)行適應(yīng)性代價(jià)評估和補(bǔ)償性進(jìn)化的研究，將有助于更加全面的理解細(xì)菌病原體抗生素耐藥性的發(fā)展軌跡，為解決抗生素耐藥危機(jī)提供新的思路。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】HumphreysG,FleckF.UnitedNationsmeetingonantimicrobialresistance[J].BullWorldHealthOrgan,2016,94(9):638-639.OlgaJonas?WorldBankGroupTeam.Drug-resistantinfections:Athreattooureconomicfuture[M].Washington,D.C.:WorldBankGroup,2017:172.B6ttgerEC,SpringerB,PletschetteM,etal.Fitnessofantibiotic-resistantmicroorganismsandcompensatorymutations[J].NatMed,1999,4(12):1343-1344.BjorkmanJ,HughesD,AnderssonDI.Virulenceofantibiotic-resistantSalmonellatyphimurium[J].ProcNatlAcadSciUSA,1998,95(7):3949-3953.HughesD,AnderssonDI.Evolutionarytrajectoriestoantibioticresistance[J].AnnuRevMicrobiol,2017,71(1):579-596.MehtaHH,PraterAG,ShamooY.Usingexperimentalevolutiontoidentifydruggabletargetsthatcouldinhibittheevolutionofantimicrobialresistance[J].JAntibiot,2017,71(2):279-286.皮銳,柳清云，高謙?耐藥結(jié)核分枝桿菌的適應(yīng)性代價(jià)與補(bǔ)償性進(jìn)化[J].微生物與感染,2017,12(6):362-368.劉利強(qiáng)，杜娟，劉彥威?細(xì)菌耐藥性的分子機(jī)制[J].動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2006,27(10):47-50.AnderssonDI.Thebiologicalcostofmutationalantibioticresistance:Anypracticalconclusions[J].CurrOpinMicrobiol,2006,9(5):461-465.AustinDJ,KristinssonKG,AndersonRM.Therelationshipbetweenthevolumeofantimicrobialconsumptioninhumancommunitiesandthefrequencyofresistance[J].ProcNatlAcadSciUSA,1999,96(3):1152-1156.WhittlesLK,WhitePJ,DidelotX.EstimatingthefitnesscostandbenefitofcefiximeresistanceinNeisseriagonorrhoeaetoinformprescriptionpolicy:Amodellingstudy[J].PLoSMed,2017,14(10):e1002416.SalvatorePP,BecerraMC,AbelZurWieschP,etal.FitnesscostsofdrugresistancemutationsinmultidrugresistantMycobacteriumtuberculosis:Ahousehold-basedcasecontrolstudy[J].JInfectDis,2016,213(1):149-155.AnderssonDI,HughesD.Antibioticresistanceanditscost:Isitpossibletoreverseresistance[J].NatRevMicrobiol,2010,8(4):260-271.LenskiRE.Quantifyingfitnessandgenestabilityinmicroorganisms[J].Biotechnology,1991,15(15):173-192.DykhuizenDE.Experimentalstudiesofnaturalselectioninbacteria[J].AnnuRevEcolEvolSyst,1990,21(1):373-398.WesthoffS,VanLeeuweTM,QachachO,etal.Theevolutionofno-costresistanceatsub-MICconcentrationsofstreptomycininStreptomycescoelicolor[J].IsmeJ,2017,11(5):1168-1178.PietschF,BergmanJM,BrandisG,etal.CiprofloxacinselectsforRNApolymerasemutationswithpleiotropicantibioticresistanceeffects[J].JAntimicrobChemother,2017,72(1):75-84.MelnykAH,WongA,KassenR.Thefitnesscostsofantibioticresistancemutations[J].EvolAppl,2015,8(3):273-283.SouthernP,RobinsonAP,KasyutichOI,etal.Enhancedinvivofitnessoffluoroquinolone-resistantCampylobacterjejuniintheabsenceofantibioticselectionpressure[J].ProcNatlAcadSciUSA,2005,102(3):541-546.MavriA,SmoleMozinaS.Resistaneetobilesaltsandsodiumdeoxycholateinmacrolide-andfluoroquinolonesusceptibleandresistantCampylobacterjejuniandCampylobactercolistrains[J].MicrobDrugResist,2013,19(3):168-174.LoftonH,PrantingM,ThulinE,etal.MechanismsandfitnesscostsofresistancetoantimicrobialpeptidesLL-37,CNY100HLandwheatgermhistones[J].PLoSOne,2013,8(7):e68875.BakerS,DuyPT,NgaTV,etal.Fitnessbenefitsinfluoroquinolone-resistantSalmonellatyphiintheabsenceofantimicrobialpressure[J].Elife,2013,2(49):e01229.CordeiroNF,ChabalgoityJA,YimL,etal.Synthesisofmetallo-beta-lactamaseVIM-2isassociatedwithafitnessreductioninSalmonellaentericaserovartyphimurium[J].AntimicrobAgentsChemother,2014,58(11):6528-6535.PetersenA,AarestrupFM,OlsenJE.TheinvitrofitnesscostofantimicrobialresistanceinEscherichiacolivarieswiththegrowthconditions[J].FEMSMicrobiolLett,2009,299(1):53-59.MaharjanR,FerenciT.Thefitnesscostsandbenefitsofantibioticresistanceindrug-freemicroenvironmentsencounteredinthehumanbody[J].EnvironMicrobiolRep,2017,9(5):635-641.MachucaJ,BrialesA,Diaz-De-AlbaP,etal.EffectoftheeffluxpumpQepA2combinedwithchromosomallymediatedmechanismsonquinoloneresistanceandbacterialfitnessinEscherichiacoli[J].JAntimicrobChemother,2015,70(9):2524-2527.LinkeviciusM,SandegrenL,AnderssonDI.MechanismsandfitnesscostsoftigecyclineresistanceinEscherichiacoli[J].JAntimicrobChemother,2013,68(12):2809-2819.DeLastoursV,BleibtreuA,ChauF,etal.QuinoloneresistantEscherichiacolifromthefaecalmicrobiotaofhealthyvolunteersafterciprofloxacinexposurearehighlyadaptedtoacommensallifestyle[J].JAntimicrobChemother,2014,69(3):761-768.LioyVS,GoussardS,GuerineauV,etal.Aminoglycosideresistance16SrRNAmethyltransferasesblockendogenousmethylation,affecttranslationefficiencyandfitnessofthehost[J].Rna,2014,20(3):382-391.MiskinyteM,GordoI.IncreasedsurvivalofantibioticresistantEscherichiacoliinsidemacrophages[J].AntimicrobAgentsChemother,2013,57(1):189-195.AdlerM,AnjumM,AnderssonDI,etal.Influenceofacquiredbeta-lactamasesontheevolutionofspontaneouscarbapenemresistanceinEscherichiacoli[J].JAntimicrobChemother,2013,68(1):51-59.SpiesFS,VonGA,RibeiroAW,etal.BiologicalcostinMycobacteriumtuberculosiswithmutationsintherpsL,rrs,rpoB,andkatGgenes[J].Tuberculosis,2013,93(2):150-154.SmithKL,SainiD,BardarovS,etal.Reducedvirulenceofanextensivelydrug-resistantoutbreakstrainofMycobacteriumtuberculosisinamurinemodel[J].PLoSOne,2014,9(4):e94953.BhatterP,ChatterjeeA,D'souzaD,etal.EstimatingfitnessbycompetitionassaysbetweendrugsusceptibleandresistantMycobacteriumtuberculosisofpredominantlineagesinMumbai,India[J].PLoSOne,2012,7(3):e33507.Kubicek-SutherlandJZ,LoftonH,VestergaardM,etal.AntimicrobialpeptideexposureselectsforStaphylococcusaureusresistancetohumandefencepeptides[J].JAntimicrobChemother,2017,72(1):115-127.LewandowskiT,HuangJ,FanF,etal.Staphylococcusaureusformyl-methionyltransferasemutantsdemonstratereducedvirulencefactorproductionandpathogenicity[J].AntimicrobAgentsChemother,2013,57(7):2929-2936.LuzBalsalobre,AdelaG,delaCampa.FitnessofStreptococcuspneumoniaefluoroquinolone-resistantstrainswithtopoisomeraseIVrecombinantgenes[J].AntimicrobAgentsChemother,2008,52(3):822-830.TrzcinskiK,ThompsonCM,GilbeyAM,etal.Incrementalincreaseinfitnesscostwithincreasedbeta-lactamresistanceinpneumococcievaluatedbycompetitioninaninfantratnasalcolonizationmodel[J].JInfectDis,2006,193(9):1296-1303.HallAR,IlesJC,MacleanRC.ThefitnesscostofrifampicinresistanceinPseudomonasaeruginosadependsondemandforRNApolymerase[J].Genetics,2011,187(3):817-822.SunZ,JiaoX,PengQ,etal.AntibioticresistanceinPseudomonasaeruginosaisassociatedwithdecreasedfitness[J].CellPhysiolBiochem,2013,31(2-3):347-354.GuoB,AbdelraoufK,LedesmaKR,etal.Predictingbacterialfitnesscostassociatedwithdrugresistance[J].JAntimicrobChemother,2012,67(4):928-932.FerreiraS,CorreiaDR,OleastroM,etal.Arcobacterbutzlericiprofloxacinresistance:pointmutationsinDNAgyraseAandroleonfitnesscost[J].MicrobDrugResist,2018,24(7):915-922.HaenniM,MoreillonP.Fitnesscostandimpairedsurvivalinpenicillin-resistantStreptococcusgordoniiisolatesselectedinthelaboratory[J].AntimicrobAgentsChemother,2008,52(1):337-339.LiH,WangQ,WangR,etal.GlobalregulatorSoxRisanegativeregulatorofeffluxpumpgeneexpressionandaffectsantibioticresistanceandfitnessinAcinetobacterbaumannii[J].Medicine(Baltimore),2017,96(24):e7188.MuX,WangN,LiX,etal.TheeffectofcolistinresistanceassociatedmutationsonthefitnessofAcinetobacterbaumannii[J].FrontMicrobiol,2016,7:1715.DangUT,ZamoraI,HevenerKE,etal.RifamycinresistanceinClostridiumdifficileisgenerallyassociatedwithalowfitnessburden[J].AntimicrobAgentsChemother,2016,60(9):5604-5607.WaselsF,KuehneSA,CartmanST,etal.FluoroquinoloneresistancedoesnotimposeacostonthefitnessofClostridiumdifficileinvitro[J].AntimicrobAgentsChemother,2015,59(3):1794-1796.ColicchioR,PagliucaC,PastoreG,etal.FitnesscostofrifampinresistanceinNeisseriameningitidis:InvitrostudyofmechanismsassociatedwithrpoBH553Ymutation[J].AntimicrobAgentsChemother,2015,59(12):7637-7649.ChoiMJ,KoKS.LossofhypermucoviscosityandincreasedfitnesscostincolistinresistantKlebsiellapneumoniaesequencetype23strains[J].AntimicrobAgentsChemother,2015,59(11):6763-6773.TothA,KocsisB,DamjanovaI,etal.FitnesscostassociatedwithresistancetofluoroquinolonesisdiverseacrossclonesofKlebsiellapneumoniaeandmayselectforCTX-M-15typeextended-spectrumbeta-lactamase[J].EurJClinMicrobiolInfectDis,2014,33(5):837-843.PridgeonJW,MuX,KlesiusPH.BiochemicalandmolecularcharacterizationofthenovobiocinandrifampicincresistantAeromonashydrophilavaccinestrainAL09-71N+RcomparedtoitsvirulentparentstrainAL09-71[J].VetMicrobiol,2013,165(3-4):349-357.PridgeonJW,LiY,Yildirim-AksoyM,etal.Fitnesscost,gyrBmutation,andabsenceofphosphotransferasesystemfructosespecificIIABCcomponentinnovobiocin-resistantStreptococcusiniaevaccinestrainISNO[J].VetMicrobiol,2013,165(3-4):384-391.VogwillT,MacleanRC.Thegeneticbasisofthefitnesscostsofantimicrobialresistance:Ameta-analysisapproach[J].EvolAppl,2015,8(3):284-295.BjorkmanJ,HughesD,AnderssonDI.Virulenceofantibiotic-resistantSalmonellatyphimurium[J].ProcNatlAcadSciUSA,1998,95(7):3949-3953.SzathmaryE.Dodeleteriousmutationsactsynergistically?Metaboliccontroltheoryprovidesapartialanswer[J].Genetics,1993,133(1):127-132.HurdleJG,O'neillAJ,ChopraI.TheisoleucyltRNAsynthetasemutationV588Fconferringmupirocinresistanceinglycopeptide-intermediateStaphylococcusaureusisnotassociatedwithasignificantfitnessburden[J].JAntimicrobChemother,2004,53(1):102-104.KnoppelA,NasvallJ,AnderssonDI.Compensatingthefitnesscostsofsynonymousmutations[J].MolBiolEvol,2016,33(6):1461-1477.AnderssonDI,HughesD.Persistenceofantibioticresistanceinbacterialpopulations[J].FEMSMicrobiolRev,2011,35(5):901-911.Bj6rkmanJ,HughesD,DanIA.ViruleneeofantibioticresistantSalmonellatyphimurium[J].ProcNatlAcadSciUSA,1998,95(7):3949-3953.SongT,ParkY,ShamputaIC,etal.FitnesscostsofrifampicinresistanceinMycobacteriumtuberculosisareamplifiedunderconditionsofnutrientstarvationandcompensatedbymutationinthebetasubunitofRNApolymerase[J].MolMicrobiol,2014,91(6):1106-1119.MeftahiN,NamouchiA,MhenniB,etal.EvidenceforthecriticalroleofasecondarysiterpoBmutationinthecompensatoryevolutionandsuccessfultransmissionofanMDRtuberculosisoutbreakstrain[J].JAntimicrobChemother,2016,71(2):324-332.KnoppM,AnderssonDI.Ameliorationofthefitnesscostsofantibioticresistanceduetoreducedoutermembranepermeabilitybyupregulationofalternativeporins[J].MolBiolEvol,2015,32(12):3252-3263.BatesonW.Mendelsprinciplesofheredity[J].Nature,1910,3(1):108-109.WongA.Epistasisand