プラスミドでコードされた細胞外抗生物質耐性遺伝子の分解と不活性化

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Water Res..2020 May;182:115921. S0043-1354(20)30458-9. doi: 10.1016/j.watres.2020.115921.Epub 2020-05-16.

プラスミドでコードされた細胞外抗生物質耐性遺伝子の分解と不活性化

Degradation and deactivation of a plasmid-encoded extracellular antibiotic resistance gene during separate and combined exposures to UV and radicals.

Maolida Nihemaiti
Younggun Yoon
Huan He
Michael C Dodd
Jean-Philippe Croué
Yunho Lee

PMID: 32629318 DOI: 10.1016/j.watres.2020.115921.

抄録

本研究では、プラスミドpUC19にコードされた細胞外アンピシリン耐性遺伝子（amp）の分解および不活性化を、UV/HOおよびUV/SOを用いて、UV、OH（UV/HOにより生成）および/またはUV/OH（および/またはSO）の複合暴露中に調べた。定量的ポリメラーゼ連鎖反応によって測定されたampの分解速度は、標的アンプリコン長（192〜851 bps）の増加に伴って増加した。pUC19(2686 bps)の分解速度定数は、アンプリコンの分解速度を基に、プラスミド全体でDNA損傷の感度が等しくなると仮定し、UV/HOでは0.26cm/mJ、OHでは1.5×10Msとして計算した。DNA 修復能を有する大腸菌AB1157株（野生型）とその修復欠損変異体であるAB1886（uvrA）、AB2463（recA）、AB2480（uvrA、recA）、DH5α（recA、endA）をレシピエント細胞として遺伝子形質転換アッセイに供した。その結果、UV および OH 曝露中の形質転換活性の消去効率は、レシピエントの大腸菌株の DNA 修復遺伝子の種類に依存することが示唆された。形質転換活性の損失は、pUC19の分解よりも遅く、最大で約5倍（大腸菌DH5αの場合）であり、レシピエント細胞におけるDNA修復の重要性を強調していた。アンプリコンの分解速度は、UV/HOとUV/SOでは、UV直接光分解よりもはるかに大きく（約4倍）、OHとSOが遺伝子分解に大きく寄与していることが示された。これは、UV/SOでは、SOがOHに変換され、OHのampに対する反応性がSOに比べて10倍以上になっているためであると考えられた。しかし、ラジカルによる遺伝子分解の亢進は、UV/HO及びUV/SOでは遺伝子形質転換活性の早期消失には至らず、UVとラジカルによるDNA損傷は遺伝子形質転換活性の消失には相加的に寄与していないことが示唆された。また、排水中の有機物（EfOM）は間接的な光分解反応による活性種の生成により、紫外線照射中にAMPの分解を促進したが、EfOMは主にUV/HO及びUV/SO処理中にラジカル捕捉剤として作用していた。

This study investigated the degradation and deactivation of an extracellular ampicillin resistance gene (amp) encoded in plasmid pUC19 during exposure to UV, OH (generated by UV/HO), and combined exposure to UV and OH (and/or SO) using UV/HO and UV/SO. The degradation rates of amp measured by quantitative polymerase chain reaction increased with increasing target amplicon length (192-851 bps). The rate constants for the degradation of pUC19 (2686 bps) were calculated as 0.26 cm/mJ for UV and 1.5 × 10 Ms for OH, based on the degradation rates of amp amplicons and assuming an equal sensitivity of DNA damage across the entire plasmid. DNA repair-proficient Escherichia coli (E. coli) AB1157 strain (wild-type) and its repair-deficient mutants including AB1886 (uvrA), AB2463 (recA), AB2480 (uvrA, recA), and DH5α (recA, endA) were applied as recipient cells in gene transformation assays. Results suggested that the elimination efficiency of transforming activity during UV and OH exposure was dependent on the type of DNA repair genes in recipient E. coli strains. Losses of transforming activity were slower than the degradation of pUC19 by a factor of up to ∼5 (for E. coli DH5α), highlighting the importance of DNA repair in recipient cells. The degradation rates of amp amplicons were much larger (by a factor of ∼4) in UV/HO and UV/SO than UV direct photolysis, indicating the significant contribution of OH and SO to the gene degradation. Not only UV and SO, but also OH contributed to the degradation of amp during UV/SO, which was attributed to the conversion of SO to OH and a 10-fold larger reactivity of OH towards amp as compared to SO. However, the enhanced gene degradation by radicals did not lead to a faster elimination of gene transforming activity during UV/HO and UV/SO, suggesting that UV- and radical-induced DNA damage were not additive in their contributions to losses of gene transforming activity. Wastewater effluent organic matter (EfOM) accelerated the degradation of amp during UV irradiation by means of reactive species production through indirect photolysis reactions, whereas EfOM mainly acted as a radical scavenger during UV/HO and UV/SO treatments.