IMP型金属β-内酰胺酶的研究进展(1)
文章编号：1009-5519(2008)13-1981-02 中图分类号：R9 文献标识码：A
金属β-内酰胺酶又称金属酶，属Bush功能分类中的第三组，Ambler分子结构分类中的B类。这类酶能够水解几乎所有的β-内酰胺类抗生素，但对单环类抗生素敏感，其活性不被β-内酰胺酶抑制剂克拉维酸、舒巴坦和三唑巴坦抑制，但可被金属螯合物如乙二胺四乙酸(EDTA)及巯基化合物等所抑制。现对IMP型MBLs的研究情况做一综述。
1 IMP型MBLs的特点、功能及传播机制
IMP家族多数由IMP-1突变产生，与其同源性较高，但各亚型对底物的水解活性不尽相同，这主要与各自的结构特点有关。IMP-1是第一个被发现的获得性MBL，水解底物谱较广，包括广谱头孢菌素类及碳青霉烯类抗生素；blaIMP-1基因位于质粒介导的I类整合子上，并已在肠杆菌科细菌、铜绿假单胞菌及其他非发酵革兰阴性杆菌中广泛传播[1]。1995年，Arakawa等[2]发现blaIMP-1基因盒位于一个新的大质粒介导的整合子样元件上，后来将这种新的元件命名为Ⅲ类整合子。IMP-3与IMP-1相比，仅有2个氨基酸替代，而其中196位丝氨酸(Ser)残基被甘氨酸(Gly)残基取代，导致其不能水解青霉素、氨苄西林、亚胺培南和头孢他定，与之对应的，存在blaIMP-3基因核苷酸序列640位鸟嘌呤代替腺嘌呤，这表明由于点突变使IMP-1的作用底物谱增宽，由此认为IMP-3可能是IMP-1的祖先。blaIMP-6基因的核苷酸序列也存在着相同的碱基转换，导致196位Gly替代Ser，这种点突变使IMP-6对帕尼培南，尤其是美罗培南的水解活性明显强于亚胺培南，这与IMP-1相反，表明IMP-6具有更广的底物谱。但其抗青霉素G、哌拉西林的活性显著降低[3]。进一步研究显示，blaIMP-4位于I类整合子上，其下游还存在其余3个耐药基因盒qacG2、aacA4及catB3，分别编码对季胺化合物、氨基糖甙类及氯霉素耐药性[4]。IMP-5与IMP-1、IMP-3及IMP-4的同源性大于IMP-2，分别为93%、92%、91%和87%，其PI为9.3，表现为对青霉素类、广谱头孢菌素类及氨曲南高度耐药，但对氨苄西林/舒巴坦、氨基糖甙类和喹诺酮类抗生素敏感；blaIMP-5基因单独位于I类整合子上[5]。产IMP-7的铜绿假单胞菌曾在加拿大的两个医院引起爆发流行，该菌株对碳青霉烯类、氨基糖甙类、环丙沙星及头孢他定耐药，但对哌拉西林敏感；核苷酸序列分析表明，IMP-7与IMP-1的同源性为91%；blaIMP-7基因位于I类整合子的第三个基因盒位置，与其相邻的两个基因盒分别为aacC4和aacC1，均编码对氨基糖甙类耐药性[6]。IMP-10与IMP-1相比，由于一个碱基的改变，导致49位缬氨酸代替苯丙氨酸，这一改变使得IMP-10对青霉素类水解活性明显下降，而对头孢菌素及碳青霉烯类水解能力影响不大；包含blaIMP-10的基因盒被插入于整合子上的一个特定位点GTTRR RY之中，基因盒的核苷酸序列与blaIMP-1基因盒相同，表明blaIMP-10基因和blaIMP-1一样能在不同菌株之间转移，从而导致产IMP型MBLs菌株的播散。
, 百拇医药
IMP-2与IMP-1同源性为85%，动力学参数显示，两者对头孢西丁、头孢他定、头孢吡肟及亚胺培南的水解活性相似，但对氨苄西林、羧苄西林、美罗培南及头孢噻啶明显不同；blaIMP-2基因盒位于I类整合子上，但其59be与blaIMP-1不同，表明编码这两种IMP变异体的基因盒起源不同[7]。2001年，我国台湾省一株多重耐药的肺炎克雷伯杆菌中发现的质粒介导的IMP-8，与IMP-2相比仅有2个氨基酸差异，其同源性大于IMP-1，产IMP-8的转化株大肠杆菌，表现为对青霉素类、头孢菌素类及碳青霉烯类的敏感性降低，而对氨曲南依然敏感；blaIMP-8基因盒与编码对氨基糖甙类耐药的基因aacA4共同位于质粒来源的I类整合子上[8]。IMP-12与其他IMP酶差别较大，同IMP-8和IMP-2关系最近，一致性分别为88.6%和88.2%，与IMP-1的一致性为85%，其基因位于50kb大小的非自传递型质粒pVA758上；动力学分析显示，IMP-12对青霉素类水解活性较弱，不能水解甲氧青霉素和氨曲南，与IMP-1相比一个显著的特点是，其对亚胺培南具有相当高的Km值，为920 μM。IMP-13与IMP-8和IMP-2的一致性分别为93%、92.3%，blaIMP-13位于I类整合子第一个基因盒位置，表明该基因盒于近期才获得，与其紧邻的是一个编码氨基糖苷修饰酶基因aac(6')-Ib'。IMP-14与IMP-11一致性最高(92.4%)，其次为IMP-8(87.7%)，对β-内酰胺类抗生素的水解活性普遍较低；blaIMP-14基因同样位于I类整合子上，其上游含有一个改变了的启动子，下游含有一个与aacA29一致性30%的基因，编码对氨基糖甙类耐药。目前认为blaIMP-14的低表达及对碳青霉烯类的耐药性降低可能与启动子的改变有关[9]。IMP-16与IMP-11及IMP-8一致性最大，分别为90.3%、89.5%；动力学显示，IMP-16对β-内酰胺类抗生素的水解活性不及IMP-1，优先水解头孢菌素及碳青霉烯类，与其他IMP酶在功能上主要不同是，IMP-16不能水解头孢西丁，对亚胺培南的kcat/Km值较低；blaIMP-16基因位于I类整合子上，其下游有一个编码氨基糖苷修饰酶的融合型基因aac(6')-30/aac(6')-Ib'和一个aadA1基因。2006年，美国首次从铜绿假单胞菌中发现IMP-18，PCR产物由781bp核苷酸序列组成，IMP-18与其他IMP酶差别较大，同IMP-14及IMP-8关系最近，一致性分别为91%、88%[10]。
, 百拇医药
我国广州分离的7株IMP-9阳性铜绿假单胞菌药物敏感试验显示，部分菌株对碳青霉烯类中介甚至敏感，而美罗培南较亚胺培南表现出更大的抗菌活性，同时这些菌株对环丙沙星、阿米卡星及庆大霉素敏感或临界耐药；IMP-9与其他IMP家族的一致性为78%～91%；blaIMP-9基因由450 kb左右的大质粒IncP-2携带，在整合子上基因盒按以下顺序排列：aacA4→blaIMP-9→aacA4→catB8→blaOXA-10；随机扩增多态性DNA分析显示，除了菌株96和121，其余均非来源于同一克隆，加之blaIMP-9位于可转移的质粒上，提示这一地区产IMP-9碳青霉烯类耐药铜绿假单胞菌的传播主要由基因的水平传播引起。
2007年，在由城市污水中分离出来的萤光假单胞菌中发现了blaIMP-22，其位于I类整合子上，包含741bp的开放读码框架(open reading frame，ORF)，编码一个含246个氨基酸的前蛋白，即IMP-22；IMP-22与其他IMP酶差别很大，与IMP-16关系最近，一致性为94%，与IMP-1的一致性为85%；产IMP-22的萤光假单胞菌对亚胺培南、美罗培南、头孢噻肟及头孢他定高度耐药，但对青霉素类敏感。除小部分blaIMP-1基因存在于Ⅲ类整合子，绝大多数blaIMP基因位于Ⅰ类整合子上。整合子由三部分组成：3'、5'保守区和两者之间的可变区。I类整合子典型的结构为：5'保守区含有编码整合酶的intI基因、与之相邻的重组位点(attI)及负责基因转录的启动子；3'保守区含有分别编码对季铵化合物及磺胺类药物耐药性的qacE△1基因和sul1基因，并含有功能未知的orf5；可变区由基因盒插入位点和参与耐药基因重组的59be组成。整合子通过整合酶的作用可以捕获多个基因盒，借助启动子的作用得以表达，使细菌具有耐药或多重耐药性。整合子本身不能移动，但可以位于质粒或转座子等可移动基因元件上进行传播，从而导致耐药基因在细菌中的播散。, 百拇医药(胡柯峰 张大志)
金属β-内酰胺酶又称金属酶，属Bush功能分类中的第三组，Ambler分子结构分类中的B类。这类酶能够水解几乎所有的β-内酰胺类抗生素，但对单环类抗生素敏感，其活性不被β-内酰胺酶抑制剂克拉维酸、舒巴坦和三唑巴坦抑制，但可被金属螯合物如乙二胺四乙酸(EDTA)及巯基化合物等所抑制。现对IMP型MBLs的研究情况做一综述。
1 IMP型MBLs的特点、功能及传播机制
IMP家族多数由IMP-1突变产生，与其同源性较高，但各亚型对底物的水解活性不尽相同，这主要与各自的结构特点有关。IMP-1是第一个被发现的获得性MBL，水解底物谱较广，包括广谱头孢菌素类及碳青霉烯类抗生素；blaIMP-1基因位于质粒介导的I类整合子上，并已在肠杆菌科细菌、铜绿假单胞菌及其他非发酵革兰阴性杆菌中广泛传播[1]。1995年，Arakawa等[2]发现blaIMP-1基因盒位于一个新的大质粒介导的整合子样元件上，后来将这种新的元件命名为Ⅲ类整合子。IMP-3与IMP-1相比，仅有2个氨基酸替代，而其中196位丝氨酸(Ser)残基被甘氨酸(Gly)残基取代，导致其不能水解青霉素、氨苄西林、亚胺培南和头孢他定，与之对应的，存在blaIMP-3基因核苷酸序列640位鸟嘌呤代替腺嘌呤，这表明由于点突变使IMP-1的作用底物谱增宽，由此认为IMP-3可能是IMP-1的祖先。blaIMP-6基因的核苷酸序列也存在着相同的碱基转换，导致196位Gly替代Ser，这种点突变使IMP-6对帕尼培南，尤其是美罗培南的水解活性明显强于亚胺培南，这与IMP-1相反，表明IMP-6具有更广的底物谱。但其抗青霉素G、哌拉西林的活性显著降低[3]。进一步研究显示，blaIMP-4位于I类整合子上，其下游还存在其余3个耐药基因盒qacG2、aacA4及catB3，分别编码对季胺化合物、氨基糖甙类及氯霉素耐药性[4]。IMP-5与IMP-1、IMP-3及IMP-4的同源性大于IMP-2，分别为93%、92%、91%和87%，其PI为9.3，表现为对青霉素类、广谱头孢菌素类及氨曲南高度耐药，但对氨苄西林/舒巴坦、氨基糖甙类和喹诺酮类抗生素敏感；blaIMP-5基因单独位于I类整合子上[5]。产IMP-7的铜绿假单胞菌曾在加拿大的两个医院引起爆发流行，该菌株对碳青霉烯类、氨基糖甙类、环丙沙星及头孢他定耐药，但对哌拉西林敏感；核苷酸序列分析表明，IMP-7与IMP-1的同源性为91%；blaIMP-7基因位于I类整合子的第三个基因盒位置，与其相邻的两个基因盒分别为aacC4和aacC1，均编码对氨基糖甙类耐药性[6]。IMP-10与IMP-1相比，由于一个碱基的改变，导致49位缬氨酸代替苯丙氨酸，这一改变使得IMP-10对青霉素类水解活性明显下降，而对头孢菌素及碳青霉烯类水解能力影响不大；包含blaIMP-10的基因盒被插入于整合子上的一个特定位点GTTRR RY之中，基因盒的核苷酸序列与blaIMP-1基因盒相同，表明blaIMP-10基因和blaIMP-1一样能在不同菌株之间转移，从而导致产IMP型MBLs菌株的播散。
, 百拇医药
IMP-2与IMP-1同源性为85%，动力学参数显示，两者对头孢西丁、头孢他定、头孢吡肟及亚胺培南的水解活性相似，但对氨苄西林、羧苄西林、美罗培南及头孢噻啶明显不同；blaIMP-2基因盒位于I类整合子上，但其59be与blaIMP-1不同，表明编码这两种IMP变异体的基因盒起源不同[7]。2001年，我国台湾省一株多重耐药的肺炎克雷伯杆菌中发现的质粒介导的IMP-8，与IMP-2相比仅有2个氨基酸差异，其同源性大于IMP-1，产IMP-8的转化株大肠杆菌，表现为对青霉素类、头孢菌素类及碳青霉烯类的敏感性降低，而对氨曲南依然敏感；blaIMP-8基因盒与编码对氨基糖甙类耐药的基因aacA4共同位于质粒来源的I类整合子上[8]。IMP-12与其他IMP酶差别较大，同IMP-8和IMP-2关系最近，一致性分别为88.6%和88.2%，与IMP-1的一致性为85%，其基因位于50kb大小的非自传递型质粒pVA758上；动力学分析显示，IMP-12对青霉素类水解活性较弱，不能水解甲氧青霉素和氨曲南，与IMP-1相比一个显著的特点是，其对亚胺培南具有相当高的Km值，为920 μM。IMP-13与IMP-8和IMP-2的一致性分别为93%、92.3%，blaIMP-13位于I类整合子第一个基因盒位置，表明该基因盒于近期才获得，与其紧邻的是一个编码氨基糖苷修饰酶基因aac(6')-Ib'。IMP-14与IMP-11一致性最高(92.4%)，其次为IMP-8(87.7%)，对β-内酰胺类抗生素的水解活性普遍较低；blaIMP-14基因同样位于I类整合子上，其上游含有一个改变了的启动子，下游含有一个与aacA29一致性30%的基因，编码对氨基糖甙类耐药。目前认为blaIMP-14的低表达及对碳青霉烯类的耐药性降低可能与启动子的改变有关[9]。IMP-16与IMP-11及IMP-8一致性最大，分别为90.3%、89.5%；动力学显示，IMP-16对β-内酰胺类抗生素的水解活性不及IMP-1，优先水解头孢菌素及碳青霉烯类，与其他IMP酶在功能上主要不同是，IMP-16不能水解头孢西丁，对亚胺培南的kcat/Km值较低；blaIMP-16基因位于I类整合子上，其下游有一个编码氨基糖苷修饰酶的融合型基因aac(6')-30/aac(6')-Ib'和一个aadA1基因。2006年，美国首次从铜绿假单胞菌中发现IMP-18，PCR产物由781bp核苷酸序列组成，IMP-18与其他IMP酶差别较大，同IMP-14及IMP-8关系最近，一致性分别为91%、88%[10]。
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我国广州分离的7株IMP-9阳性铜绿假单胞菌药物敏感试验显示，部分菌株对碳青霉烯类中介甚至敏感，而美罗培南较亚胺培南表现出更大的抗菌活性，同时这些菌株对环丙沙星、阿米卡星及庆大霉素敏感或临界耐药；IMP-9与其他IMP家族的一致性为78%～91%；blaIMP-9基因由450 kb左右的大质粒IncP-2携带，在整合子上基因盒按以下顺序排列：aacA4→blaIMP-9→aacA4→catB8→blaOXA-10；随机扩增多态性DNA分析显示，除了菌株96和121，其余均非来源于同一克隆，加之blaIMP-9位于可转移的质粒上，提示这一地区产IMP-9碳青霉烯类耐药铜绿假单胞菌的传播主要由基因的水平传播引起。
2007年，在由城市污水中分离出来的萤光假单胞菌中发现了blaIMP-22，其位于I类整合子上，包含741bp的开放读码框架(open reading frame，ORF)，编码一个含246个氨基酸的前蛋白，即IMP-22；IMP-22与其他IMP酶差别很大，与IMP-16关系最近，一致性为94%，与IMP-1的一致性为85%；产IMP-22的萤光假单胞菌对亚胺培南、美罗培南、头孢噻肟及头孢他定高度耐药，但对青霉素类敏感。除小部分blaIMP-1基因存在于Ⅲ类整合子，绝大多数blaIMP基因位于Ⅰ类整合子上。整合子由三部分组成：3'、5'保守区和两者之间的可变区。I类整合子典型的结构为：5'保守区含有编码整合酶的intI基因、与之相邻的重组位点(attI)及负责基因转录的启动子；3'保守区含有分别编码对季铵化合物及磺胺类药物耐药性的qacE△1基因和sul1基因，并含有功能未知的orf5；可变区由基因盒插入位点和参与耐药基因重组的59be组成。整合子通过整合酶的作用可以捕获多个基因盒，借助启动子的作用得以表达，使细菌具有耐药或多重耐药性。整合子本身不能移动，但可以位于质粒或转座子等可移动基因元件上进行传播，从而导致耐药基因在细菌中的播散。, 百拇医药(胡柯峰 张大志)