細(xì)菌整合子功能的研究進(jìn)展

陳亦琦 吳亮 仇錦波

【摘? 要】整合子在細(xì)菌基因組是一種功能強(qiáng)大的基因整合系統(tǒng)。整合子在細(xì)菌中存在時(shí)間悠久，可以賦予細(xì)菌表型的多樣性和對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性，在細(xì)菌抗生素抗性基因的獲取、表達(dá)和傳播中發(fā)揮了重要作用。本文綜述了整合子的功能和活性，以及細(xì)菌如何通過(guò)整合子從外界環(huán)境基因池中選擇特定基因以獲得對(duì)抗生素。

【關(guān)鍵詞】整合子;耐藥基因;功能

整合子是革蘭陰性菌重要的可遺傳元件，在細(xì)菌捕獲和表達(dá)外源基因過(guò)程中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)細(xì)菌耐藥性發(fā)展以及耐藥基因的廣泛^[1]。目前臨床分離菌株中廣泛存在整合子，開(kāi)展整合子結(jié)構(gòu)和功能研究對(duì)細(xì)菌耐藥性獲得機(jī)制以及遏制細(xì)菌耐藥性的快速發(fā)展具有重要意義^[2]。

1 細(xì)菌整合子結(jié)構(gòu)

整合子由3個(gè)部分組成，包括：5-保守末端（5-conserved segment， 5-CS）、3-保守末端（3-conserved segment， 3-CS）和兩者之間的可變區(qū)（variable region）。 5-CS是整合子的基本結(jié)構(gòu)，包括編碼整合酶基因（ingegrase， Int Ⅰ）、整合子重組位點(diǎn)att Ⅰ和整合子可變區(qū)啟動(dòng)子（P_ant）。Int Ⅰ屬于酪氨酸整合酶家族，可以催化基因盒在整合子重組位點(diǎn)att Ⅰ和基因盒重組位點(diǎn)att C之間的整合和剪切^[3]。

2 整合子在細(xì)菌中廣泛存在

細(xì)菌整合子最早報(bào)道于霍亂弧菌，該整合子與目前大部分整合子并不相同，它位于霍亂弧菌染色體上，擁有數(shù)百個(gè)基因片段，并且這些基因片段編碼了眾多未知功能新蛋白^[4]。過(guò)去20年的研究表明，染色體整合子主要存在于環(huán)境分離細(xì)菌中，臨床分離細(xì)菌整合子主要存在基因組外質(zhì)粒中，并且這種現(xiàn)象可能源自于人類(lèi)長(zhǎng)期使用抗生素帶來(lái)的選擇驅(qū)動(dòng)效應(yīng)^[5]。

通過(guò)對(duì)弧菌整合子的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該整合子攜帶了豐富基因，占細(xì)菌整個(gè)基因組的0.7%～3.1%。上述整合子和攜帶基因可以通過(guò)垂直遺傳方式傳播。在弧菌數(shù)億年的進(jìn)化過(guò)程中，伴隨著整合子大規(guī)模重新整合，并引入各種外源性基因。但并不是所有的細(xì)菌染色體整合子都攜帶大量基因片段，在海洋生物如聚球藻屬染色體中就很少發(fā)現(xiàn)整合子，因此自然環(huán)境中細(xì)菌整合子是否也活躍存在尚未完全明確^[6]。

3 細(xì)菌整合子基因盒

3.1細(xì)菌整合子基因盒多樣性

細(xì)菌整合子基因盒來(lái)源非常廣泛。宏基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可以從各種外界環(huán)境，包括各種土壤（沙漠土壤、森林土壤、極地土壤、河流沉積物、溫泉底泥等）、各種水體（海洋、河流、湖泊等），以及生物膜、植物表面和真核生物等，獲取外源基因并整合入自身整合子基因盒^[7]。

3.2基因盒功能

基因盒中各種基因細(xì)菌獲得遺傳變異信息的巨大寶庫(kù)。分析表明，基因盒中高達(dá)65%的基因片段及其編碼多肽是未知的，還有15%的基因編碼蛋白質(zhì)與保守的假設(shè)蛋白具有同源性，僅有20%基因編碼蛋白是已知的。此外，細(xì)菌整合子基因盒中大量基因片段與細(xì)菌毒性和宿主相容性有關(guān)，包括脂肪酸合成、莢膜多糖、腸毒素、纖溶酶和甲硫氨酸還原酶等，這些基因與細(xì)菌的DNA合成修飾、多糖的生物合成、氨基酸合成、轉(zhuǎn)運(yùn)體生成和外部轉(zhuǎn)運(yùn)功能相關(guān)。整合子基因盒還含有與細(xì)菌耐藥相關(guān)基因，這些基因可以幫助細(xì)菌在強(qiáng)大的抗生素選擇性壓力下存活^[8]。

4 結(jié)論

整合子是抗生素耐藥性傳播的主要參與者，尤其是革蘭陰性細(xì)菌?；蚪柚献?，實(shí)現(xiàn)功能DNA片段或質(zhì)粒在不同種細(xì)菌之間，細(xì)菌與外界環(huán)境之間的轉(zhuǎn)移。目前臨床常見(jiàn)耐藥菌主要攜帶1類(lèi)、2類(lèi)和3類(lèi)整合子，其中1類(lèi)整合子最為常見(jiàn)。整合子的廣泛傳播是人類(lèi)長(zhǎng)期使用抗生素過(guò)程中所施加的強(qiáng)大選擇壓力而產(chǎn)生的趨同進(jìn)化結(jié)果。了解整合子的結(jié)構(gòu)功能，有利于對(duì)我們深入透徹地研究細(xì)菌耐藥機(jī)制，防范“超級(jí)細(xì)菌”的產(chǎn)生^[9]。

參考文獻(xiàn)

[1]Boucher Y，Labbate M，Koenig J E，etal.Integrons：mobilizable platforms that promote genetic diversity in bacteria[J].Trends Microbiol，2007， 15（7）：301-309.

[2]Messier N，Roy P H.Integron integrases possess a unique additional domain necessary for activity[J].J Bacteriol，2001，183（22）：6699-6706.

[3]Wu Y W，Rho M，Doak T G，etal.Oral spirochetes implicated in dental diseases are widespread in normal human subjects and carry extremely diverse integron gene cassettes[J].Appl Environ Microbiol，2012，78（15）：5288- 5296.

[4]Makino K，Oshima K， Kurokawa K，etal.Genome sequence of Vibrio parahaemolyticus： a pathogenic mechanism distinct from? that of V cholerae[J]. Lancet，2003，361（9359）：743-749.

[5]Mazel D.Integrons：agents of bacterial evolution[J].Nat Rev Microbiol， 2006，4（8）：608-620.

[6]Stokes H W，Holmes A J，Nield B S，etal.Gene cassette PCR：sequence-independent recovery of entire genes from environmental DNA[J].Appl Environ Microbiol，2001，67（11）：5240-5246.

[7]Fluit A C，Schmitz F J.Resistance integrons and super-integrons [J].Clin Microbiol Infect，2004，10（4）：272-288.

[8]Partridge S R，Tsafnat G，Coiera E，etal.Gene cassettes and cassette arrays in mobile resistance integrons[J].FEMS Microbiol Rev，2009，33（4）：757 -784.

[9]Gillings M，Boucher Y，Labbate M，etal.The evolution of class 1 integrons and the rise of antibiotic resistance[J].J Bacteriol，2008，190（14）：5095 -5100.

課題資助：

本項(xiàng)目受江蘇大學(xué)大學(xué)生科研立項(xiàng)資助