通信作者：余曉麗(1963-)，女，教授，E-mail：Liyan1181@126.com.

武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌異煙肼耐藥性的基因分析

孫戰(zhàn)強1,2，陳高瞻1，余曉麗1

(1.武漢輕工大學 生物與制藥工程學院，湖北 武漢430023;2. 上海凱地生物科技有限公司，上海 20025)

摘要：探討武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌臨床分離株異煙肼耐藥相關(guān)基因突變特征。通過PCR直接序列分析法對異煙肼耐藥相關(guān)基因katG基因及mabA-inhA啟動子進行序列分析。20株異煙肼敏感株未檢測到突變，49株耐藥株中有40株(81.6%)存在突變，其中katG的S315突變率占主導優(yōu)勢，突變率為73.5%(36/49)，mabA-inhA啟動子區(qū)核苷酸置換率為8.2% (4/49)，其中一株同時檢測到了katG和mabA-inhA啟動子區(qū)的突變。此外，還檢測到了一種國內(nèi)尚未報道的katG突變類型P232S(CCG→TCG)。研究證實katG基因和mabA-inhA啟動子的突變與異煙肼耐藥相關(guān)，為進一步研究結(jié)核分枝桿菌異煙肼耐藥性奠定了基礎。

關(guān)鍵詞：結(jié)核分枝桿菌；異煙肼；耐藥； katG基因； mabA-inhA啟動子

收稿日期：2015-06-05.

作者簡介：孫戰(zhàn)強(1971-)，男，主管檢驗師，E-mail：sunzhanqiang12@126.com.

基金項目：上海市科委科技支撐項目(12441903300).

文章編號：2095-7386(2015)03-0037-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.008

中圖分類號：R 378

Genotypic analysis of isoniazid-resistantMycobacterium

tuberculosisisolates recovered from Wuhan

SUNZhan-qiang1, 2,CHENGao-zhan1,YUXiao-li1

(1.School of Biology and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;

2.Shanghai Kaidi Biological Technology Co., LTD, Shanghai 20025, China)

Abstract：To evaluate the characteristic of genes associated with isoniazid-resistant Mycobacterium tuberculosis clinical isolates collected from Wuhan, China. Methods The genotypes of katG and mabA-inhA promoter that associated with isoniazid-resistance were analyzed with PCR direct sequencing. Results Of the 49 isoniazid-resistant clinical isolates, 43 strains(81.6%) carried mutations in the target genes, and no mutations was found in the 20 isoniazid- sensitive strains. The mutations in katG gene at codon 315 was the most frequent mutations up to 73.5%(36/49)in all. The nucleotide replacement rate of mabA-inhA promoter was 8.2% (4/49).One isolate strain was detected mutations both in katG mabA-inhA promoter. Moreover, we found a new mutant type P232S(CCG→TCG). Conclusions This study confirmed that mutations in the katG and mabA-inhA promoter related with isoniazid-resistance, and provided clues to explore the mechanism of isoniazid -resistant Mycobacterium tuberculosis.

Key words：Mycobacteriumtuberculosis(MTB); isoniazid (INH); drug resietance;katGgene;mabA-inhApromoter

1引言

結(jié)核病是單一致病菌引起死亡最主要的原因，而耐藥及耐多藥結(jié)核分枝桿菌的出現(xiàn)，使結(jié)核病的治療更加困難。異煙肼( INH)是結(jié)核病治療中最主要的一線藥物，同利福平、吡嗪酰胺一樣是現(xiàn)代結(jié)核病控制策略(DOTS)短期化療的基礎藥物[1]。研究表明在所有結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis, MTB)耐藥分離株中INH的耐受率最高，因此闡明INH的耐藥機制可以為MTB耐藥快速檢測和個體化治療提供關(guān)鍵理論基礎。INH耐藥機制十分復雜，受多個基因調(diào)控，國內(nèi)外研究表明，MTB中80%-90%的INH耐藥主要是由于katG基因和mabA-inhA啟動子區(qū)發(fā)生突變所致[2]。本研究旨在探討武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌臨床分離株異煙肼耐藥相關(guān)基因突變特征，為進一步深入地研究闡明結(jié)核分枝桿菌異煙肼的耐藥機制奠定基礎。

2材料與方法

2.1材料

結(jié)核分枝桿菌標準菌株H37Rv(ATCC 27294)購自中國藥品生物制品檢驗所。69株臨床分離株依據(jù)《結(jié)核病診斷實驗室檢驗規(guī)程》[3]在武漢醫(yī)療救治中心進行分枝桿菌分離培養(yǎng)、菌種鑒定、絕對濃度法藥敏試驗(異煙肼，利福平，鏈霉素，乙胺丁醇)，共收集到20株全敏感株，49株INH耐藥株。

2.2方法

2.2.1DNA提取

分離菌株接種在改良羅氏(L-J)培養(yǎng)基上，37 ℃培養(yǎng)至對數(shù)生長期，根據(jù)文獻[4]報道，采用酶解和傳統(tǒng)酚/ 氯仿抽提法提取各菌株DNA。運用Thermo NANODROP 2000微量分光光度計測定DNA的濃度和純度，-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2.2聚合酶鏈反應(PCR)及測序

參照文獻[5]報道，設計菌種鑒定引物INS-F(5’- CGTGAGGGCATCGAGGTGGC -3’)和INS-R(5’- GCGTAGGCGTCGGTGACAAA-3’)，該引物可以特異性地擴增結(jié)核分枝桿菌的IS6110的保守區(qū)域。根據(jù)結(jié)核分枝桿菌標準株H37Rv的katG基因和mabA-inhA啟動子區(qū)序列設計引物katG-F(5’- TCGGCGATGAGCGTTACAG-3’) 、katG-R(5’- CGTCCTTGGCGGTGTATTG-3’) ，產(chǎn)物長度為459 bp；mabA-inhA-F(5’-CGTCCTTGGCGGTGTATTG-3’) 及mabA-inhA-R(5’-ATCCCCCGGTTTCCTCCGGT-3’) ，產(chǎn)物長度為248 bp。PCR體系(50 μl)：10×PCR Buffer(5 μl)，四種dNTP 各0.2 mmol/L，上下游引物各0.5 μmol/L，Taq酶2.5 U，DNA模板2 μg；PCR擴增條件：94 ℃預變性5 min，94 ℃變性30 s，58 ℃退火30 s，72 ℃延伸1 min，30個循環(huán)，72 ℃延伸10 min。PCR 產(chǎn)物經(jīng)1%的瓊脂糖凝膠電泳后，目的基因片段陽性產(chǎn)物經(jīng)Omega-PCR純化試劑盒純化后送上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司測序。

2.2.3DNA序列分析

測序數(shù)據(jù)通過Clustal W軟件并結(jié)合Blast數(shù)據(jù)庫(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?CMD=Web&PAGE_TYPE=BlastHome)進行比對分析。

3結(jié)果

3.1PCR產(chǎn)物

以結(jié)核分枝桿菌標準株H37Rv為對照，應用引物INS-F和INS-R引物擴增結(jié)核分枝桿菌臨床分離株均得到245bp片段，進一步確認這些分離株為結(jié)核分枝桿菌。此外，其他耐藥基因也均擴出相應的DNA片段(見圖1)。

M：DNA Marker；1：標準株H37Rv；2～8：臨床分離株 圖1　katG基因PCR擴增產(chǎn)物電泳圖

3.2katG基因的突變檢測

20株INH敏感株未檢測到突變，49株耐藥株中有40株(81.6%)發(fā)生了突變(見表1)。katG S315突變占主導優(yōu)勢，突變率為73.5%(36/49)。S315最主要的突變類型為：S315T(AGC→ACC)見圖2，另外還包括S315N(AGC→AAC)突變。此外，本實驗中還發(fā)現(xiàn)了katG基因232位點突變，類型為P232S( CCG→TCG)，未發(fā)現(xiàn)缺失突變。

A.結(jié)核分枝桿菌H37Rv標準株的katG基因片段序列； B.耐INH臨床分離株的katG基因點突變S315T(AGC→ACC) 圖2　臨床分離菌株katG基因315位點突變情況

表1INH耐藥株katG及mabA-inhA突變情況 (n=49)

基因基因突變特征位點核苷酸氨基酸突變菌株數(shù)目占比katG232CCG→TCGPro(P)→Ser(S)1/49315AGC→ACCSer(S)→Thr(T)35/49AGC→AACSer(S)→Asn(N)mabA-inhA啟動子-15C→T4/49

3.3mabA-inhA啟動子序列突變檢測

mabA-inhA啟動子區(qū)的序列分析結(jié)果：有4株(8.2%)檢測到了堿基替換，均為C-15T突變。其中一株與katG基因S315聯(lián)合突變。

4討論

Zhang[6]等最早研究MTB的耐藥的分子機制，提示是由于katG基因的完全缺失造成了過氧化氫-過氧化物酶的活性喪失從而導致MTB對INH的高耐藥。近年來，INH的耐藥機制引起了人們的廣泛關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)INH耐藥分子機制與某些基因突變有關(guān)。但是由于地理區(qū)域的不同，INH耐藥基因多態(tài)性及其突變頻率存在差異。研究報道稱，katG315的突變率范圍為：40%—93.6%，常見的katG315突變有AGC→ACC, AGC→AGG, AGC→AAC, AGC→GGC等[7-8]。本實驗中來自武漢地區(qū)的49例INH耐藥株katG315(Ser→Thr)突變占主導優(yōu)勢，突變率為71.4%(35/49)，與國內(nèi)外絕大多數(shù)報道一致[9-10]；35株katG315突變中97.1%(34/35)的突變類型為AGC→ACC，僅一例為 AGC→AAC，上述結(jié)果表明katG315突變是武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌INH耐藥的主要原因。

本次研究中在katG基因232位點發(fā)現(xiàn)突變類型是CCG→TCG(Pro→Ser)。Cardoso[11]等首次報道了該突變位點232位Pro→Arg，且和mabA-inhA啟動子聯(lián)合突變，表現(xiàn)為INH高耐藥；國內(nèi)陳楊[12]等報道了該位點的突變(CCG→CAG ，Pro→Gln)，且與inhA基因的 16位(CGT→GGT)聯(lián)合突變，表現(xiàn)為耐多藥。Ando[13]等新近研究發(fā)現(xiàn)katG基因232位點另一突變類型Pro→Ser，并稱其與INH低耐藥有關(guān)。而本實驗中的232(CCG→TCG，Pro→Ser)突變并未與檢測中的其他幾個INH耐藥基因發(fā)生聯(lián)合突變。有研究表明，結(jié)核分枝桿菌katG基因的缺失與耐INH有關(guān)，且多為高耐藥，但該基因缺失的報道并不多見[14]。本研究未發(fā)現(xiàn)耐藥菌株中katG基因的缺失。

由inhA編碼的烯酰基乙酰載體蛋白(inhA)是INH的作用靶點之一，研究表明inhA上游啟動子區(qū)域mabA-inhA突變能引起inhA表達的增加，從而提高藥靶濃度并產(chǎn)生INH耐藥性[15]。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)INH耐藥株中mabA-inhA突變率為4.3%—34.4%[16]。本研究中耐藥株mabA-inhA突變率為8.1%(4/49)，且都為單獨的C-15T替換，可見在武漢地區(qū)mabA-inhA基因突變率相對較低，而且mabA-inhA和katG聯(lián)合突變率更小，可能只需要katG基因一個突變就足以滿足耐INH。

此外，本研究49株表型耐藥株中有6例在以上檢測基因中均未發(fā)生突變，這些菌株可能在這些基因的其他區(qū)段發(fā)生突變或者還存在其他耐藥機制目前正在進一步研究之中。

本研究首次闡明了武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌INH耐藥株的耐藥分子機制主要為katG基因發(fā)生點突變，為進一步研究結(jié)核分枝桿菌INH的耐藥機制奠定了一定的基礎，為MTB耐藥分子診斷積累區(qū)域差異性數(shù)據(jù)。但是完全闡明武漢地區(qū)結(jié)核分枝桿菌INH耐藥的機制還需要大規(guī)模檢測樣本，并且進行多基因的研究。

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