革兰阴性菌中金属β-内酰胺酶基因的分子进化和耐药特征双聚类分析

【摘要】目的了解沈阳地区临床上耐β-内酰胺类抗生素革兰阴性菌的耐药特征，结合生物信息学技术，利用最新的贝叶斯推断和马氏链蒙特卡罗模型（MCMC）对金属β-内酰胺酶（MβLs）基因进行分子进化分析，从而将生物信息学技术与微生物学进行交叉融合，为传统技术难以解决的细菌进化问题提供了崭新的研究视角。方法收集了2012~2013年沈阳沈海医院临床分离的革兰阴性菌113株，对这些菌株进行菌种鉴定和药物敏感试验，用双聚类算法对菌株耐药特征进行分析。然后借助Perl语言和BioPerl模块编辑程序，实现金属β-内酰胺酶基因的大规模下载和本地数据文件整合成FASTA文件两大功能，构建了该基因的数据集。利用贝叶斯推断和马氏链-蒙特卡罗模型对该基因进行分子进化分析。结果菌种鉴定结果显示所收集的菌株由肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞杆菌和鲍曼不动杆菌等13种细菌组成，对18种抗菌药物的药敏试验表明这些菌株整体的耐药率较低。在不同种属中，肺炎克雷伯菌耐药率较低，大肠埃希菌、铜绿假单胞杆菌和鲍曼不动杆菌的耐药率则较高。药敏试验结果的双聚类分析显示，本实验所有的菌株主要被聚为I、II、III三大类，归为I类的菌株耐药率普遍很高，归为II类的菌株的数量最多，菌株耐药率普遍较低，归为III类的菌株数量较少，菌株的耐药率介于I和II类之间。对于II大类，根据所耐抗菌药物不同也分为三小类，分别用II-A、II-B、II-C表示。利用PCR方法检测耐药基因，blaIMP阳性率为14.8%，blaVIM阳性率为0.9%，测序后BLAST比对分析显示blaIMP阳性产物为IMP-1型，blaVIM阳性产物为VIM-2型。通过贝叶斯推断和MCMC模型分别对VIM基因型和总MβLs基因型数据集进行分子进化分析。最大分支树结果显示VIM基因型序列被分为三个簇，VIM基因型的碱基替代速率是1.127×E-3次/位点/每年，不同簇之间的最近共同祖先出现的时间（TMRCA）从10年到13年不等。总MβLs基因型序列同样被分为三个簇，其碱基替代速率是1.025×E-2次/位点/每年，不同簇之间的最大进化祖先出现的时间从15年到22年不等.以贝叶斯轮廓线图（Bayesianskylineplot）方法动态分析MβLs的进化特征，在过去的20年间，VIM基因型进化突变率在2000年开始有一个明显的峰值，在2003年达到最高水平，随后平缓下降。虽然进化突变率曲线有所下降，但是仍处在较高水平。总MβLs基因型进化突变率随时间的推移变化不大，并有略微下降。贝叶斯轮廓曲线在2000年开始有一个上升，在2003年达到峰值，随后平缓下降。虽然曲线有所下降，但是进化的突变率还较高，这说明总MβLs基因型的进化压力仍较大。金属β-内酰胺酶基因的遗传多样性与抗菌药物的选择性压力有一定的正相关性，即耐药基因的遗传多样值越高，抗菌药物的选择压力越大。
【作者】郭育奇；
【导师】赵春燕；
【作者基本信息】吉林大学，生物化学与分子生物学，2014，硕士
【关键词】金属β-内酰胺酶基因；双聚类；BioPerl；贝叶斯推断；马氏链蒙特卡罗法；

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