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Cu(II) and Zn(II) Enhance Antibiotic Resistance Gene Transformation by Regulating Type IV Pili-Mediated DNA Uptake

菌毛 DNA 转化(遗传学) 细胞外 化学 生物物理学 氧化应激 生物化学 细菌 基因 氧化磷酸化 外源DNA 细胞生物学 微生物学 DNA损伤 辅因子 生物 基因表达调控 离子键合 DNA缩合 基因表达 抗生素 胞外聚合物 新月形茎杆菌 抗生素耐药性
作者
Qiting Xie,Huiming Tang,Huijie Lu,Lizhong Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (17): 12868-12879
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c02776
摘要

Natural transformation represents one of the major dissemination pathways of antibiotic resistance genes (ARGs) in the environment. It can be facilitated by heavy metals, which is traditionally attributed to the induction of oxidative stress and an SOS response. Here, we demonstrate an alternative mechanism involving type IV pili (T4P), the molecular machinery for extracellular DNA (eDNA) uptake. Specifically, 2 μM Cu(II) and Zn(II) significantly enhanced transformation in Acinetobacter baylyi by 28% and 46% (p < 0.05) and in soil communities by 51% and 74% (p < 0.05). T4P sensitively responded to the two metals at concentrations as low as 0.5 μM within 2 h, preceding any detectable oxidative stress responses. At the initial phase of T4P-mediated uptake (DNA binding), Cu(II) enhanced extracellular ARGs adhesion by inducing DNA condensation and strengthening T4P-DNA binding via ionic bridging. During the latter phase (DNA pulling), Zn(II) functioned as a cofactor for T4P ATPase, stimulating pilus extension-retraction dynamics to facilitate DNA transformation. At higher concentrations (8 μM), the CpiR-CpiA regulatory axis serves as a molecular brake, curtailing T4P dynamics by derepressing the PilB-inhibitor CpiA and thereby attenuating transformation enhancement. These findings reveal that Cu and Zn interfere with different phases of T4P-mediated DNA uptake, highlighting a previously unrecognized mechanism by which metals accelerate ARG dissemination in the environment.
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