整合子_基因盒系统在细菌耐药性中的作用

通 过基因 盒整合 位点的 不同将其 分为特 异性与 非特异
性整合。以 1 型整合子为例, 游离的基因盒 以闭合环状结构 存在, 整合后以线性 结构存 在于 质粒和 细菌 染色体 上, 基因 盒的整合及去除 过程 均由 整合酶 以位 点特异 性催 化。整合 酶识别特异性的整 合位 点 a tt# 和 attC, 与 attC 位 点一样, 重 组 可在 att# 位点和 attC 位点之间或 2个 a ttC 位点间发生, 且 优先在 att# 位点和 1个 a ttC 位点 之间发 生重组。特 异性整 合是发生在一级 位点的 整合, 为 可逆过 程, 整合 线性基 因盒 被切下后, 由于其两端的特殊结构, 又回复为 环状, 并可整合 于其它整合 子上; 有 的基因盒也可通过 attC a ttC 方式整合或 切除。非特异性整 合指 重组 发生在 1个一 级位 点和 1 个二 级位点之间, 发生的频率很低, 整合的结果稳 定, 几 乎不可能 发生基因盒的去除 [ 1]。 非特异 性整 合对基 因盒 在细菌 间的
基因盒 移 动 实 验 主 要 在 1类 整 合 子 中 进 行。整 合 酶 int# 在 DNA 上的主要 作用位 点有 2个, 一是 每个 基因 盒上 的 attC位点, 另一 个是整合子上的整合位点 att# 。 1类整合 子的 a tt# 位点非常保守, 而 attC位点的序列和长度却存在非 常强的多样 性。就 1类整合子而 言, 基因重 组可在任何一对 att位 点上发生, 但各个 a tt位 点上的发 生频率存在 非常大的 差异 [ 7] 。 a ttC 位点和 att# 位点 可被认 为是 整合酶 in t# 1的 一级位点, 该酶尚有二级位点, 其序列为 GW TMW。
整合子中基因盒 的位置决定所含耐药 基因的表达 水平, 紧靠 5 CS的基因 盒表达 水平 最高, 远端 基因 由于 上游 基因 盒的存在而表达 水平 减弱。造 成这 种现象 的原 因可能 与基 因盒的 attC交换位点结构有关, 其内包括不完全反 向重复序 列, 而易形成茎 - 环结构, 这 种特 殊结 构使 attC 成为一 种转 录终止信号或转 录衰减 信号, 影 响下游 基因 盒表达 , 且 由于 每个基因盒 attC的序列及长度不一, 对下游的影响 水平也不 相同, 这个原理已被多位学者证 实 [ 9, 10] 。基因 盒的重 组有时
[ 收稿日期 ] 2005 01 12 [ 作者单位 ] 蚌埠医学院 病原生物学教研室, 安徽 蚌埠 233030 [作者简介 ] 刘婷婷 ( 1980- ), 女, 助教.
整合子的 基本结构由 3部分 组成, 两端 是一段高度保守 序列 ( conservedseg am ent, CS), 分 别称作 5 和 3 保 守 末端, 5 和 3 端之间的区域称作 可变区 ( v ir iablereg ion) 。 5 保 守末端 携带编码整合 酶的基因 int# 、重 组位 点 att# 和 1个 启动子 的基因片段。 int# 属于酪氨酸整合酶家族, 负责催 化基因盒 在 att# 和 attC上的整合及切 除; att# 位 点是整 合子的 受位, 同样包含 7个碱基对的片段 GTTRRRY。但与 a ttC 位点不同 的是 att# 位点没有互补序 列。重组 时交叉的 位点位 于一个 核心 序列 GTTRRRY 的 G 碱基和下一个核 心序列的第 1个 T 碱 基之间。负责基因转录的启动子有 P1和 P2, 但 P2仅见于 少数整合子。 3 保守末端结构 则因整 合子类 型不同 而异。 1 个整合子可捕 获 1个或多个基因 盒, 被捕获的 基因盒 5 端与 att# 结合, 3 端的 attC片段与 attC发生 位点特异 性重组。尽 管每个基因盒 a ttC 交换 位点 长度从 57到 141 个碱 基不 等, 但他们有相同 的特点, 它们的 5 端与基因盒基因编码区 3 反 向核心序列为 界, 3 端 则与 核心 序列 为界, 中 间为 含有 1个 60bp的共同序列 ( consensus sequences)的不完全反 向重复序 列。这种 attC特殊结构 为基因 盒的 插入及 基因 盒的 功能表 达提供了重要 的结构基础 [ 4]。
[ 文章编号 ] 1000 2200( 2006) 02 0215 03
综述
整合子 - 基因盒系统在细菌耐药性中的作用
刘婷婷 综述, 李凤云 审校
[ 关键词 ] 抗药性, 微生物; 整合子; 基因盒; 综述
[ 中国图书资料分类法分类号 ] R 37
[文源自文库标 识码 ] A
随着抗生素 的广泛 使用, 细 菌的耐 药性, 甚 至是多 重耐 药性开始大量出 现, 致使抗 生素 的疗效 逐渐 下降, 这给 临床 治疗带来了极 大的 困难。因 此, 对细菌 耐药 性机制 的研 究, 成为临床医师及 微生物 学家 研究 的热点。 整合子 - 基 因盒 系统是近年 来在 细 菌中 发现 的 天然 克隆 表 达系 统, 整 合子 ( integron) 是一种基因片段, 具有位点特异性重组功能, 能识 别、俘获及表 达外 来移 动性 基因 盒。基 因盒 ( gene cassette) 是整合子上所携带的 基因片段, 常携 带耐药基因 。整合子通 过位点特异的基因 重组 使耐 药基因 发生 播散 [ 1] 。本文 就基
蚌埠医学院学报 2006年 3月第 31卷第 2期
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bon em arrow [ J] . C lin Cancer Res, 1999, 5 ( 12) : 3 999- 4 004. [ 32 ] D iel IJ, So lom ayer EF, C osta SD, et al. R eduction in new
因盒、整合子的结构及分类, 基因盒 的移动与 表达, 整合子 基因盒系统在细菌耐 药性传播中的意义等方面进行综述。
1 基因盒的结构 1991年, H a ll通过对转座子 T n7上各种不同耐 药基因的
分析, 正式提出了 基因 盒 - 整 合子 系统的 概念。迄 今为 止, 在整合子中已发现 60多种基 因盒 [ 1] , 大 小在 262~ 1 549 bp 之间, 编码的耐药基因覆盖了大多数目 前正在使用 的抗菌药 物, 常见有 3类: ( 1)氨 基糖 苷类 耐药基 因; ( 2) 甲 氧磺 胺嘧 啶类耐药基因; ( 3) 内酰胺酶类 耐药基因。此外, 由基因盒 携带的基因 还有氯霉素耐药基因 cat和 cm ,l 红霉素耐药基因 ere等。
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J Bengbu M ed Col,l M arch 2006, Vo .l 31, N o. 2
20世纪 90年代末, M aze l等在霍乱弧菌基因组中又发现 一种超整合子。超整合子远大 于传统的整合 子, 能 携带数百 个基因盒, 其 整合 酶 亦 有 位点 特 异 性 重组 活 性, 并有 类 似 59be的结构, 是一种新型整合子。 3 基因盒的移动
传播以及细菌质粒和基因组的 进化有重要意 义, 一 旦细菌整 合上此基因盒, 就使其永久性获得了新基因。 4 基因盒的表达
大多数基因盒都不含启动 子系列, 故基因盒的 表达需依 赖整合子上启动子的 作用。在 自然发生的整 合子中, 各个基 因盒都按照编码区以相同方 式 ( 5 ∃ 3 ) 插入, 这种位 向特异 有利于启动 子带 动所 有下 游的 基因 盒的 表达。 1 类整 合子 5 CS内的启动子区蕴藏着两 个启动 子 P1和 P2[1] 。 P1是主 要启 动子, 包括一 段 6个 碱基的 共同序 列, 它 的中心 位于起 始位点 上 游 - 35bp 和 - 10bp 处, 现已 发 现 P1 有 4 种 变异 体, 其中 TTGACA ( - 35) 和 TAAACT ( - 10)为 强启 动子, 其 转录水平与大肠埃希菌 tac启动 子相似, 而 TGGA CA ( - 35) 和 TAAGCT ( - 10) 的转录水平 最弱 [ 8] 。 P 1下游 119 碱基处 还有第二启动子 P2。 P2以 两种 形式存 在, 灭活 形式和 活性 形式。目前发现的杂化 P1变体和强 P1变体均 与 P2的灭活 形式存在。在一 些自 然发 生的 整合 子中, 如 In2、P2的 活性 形式与弱 P1变体并存, P 2的 存在补偿了弱 P 1变体的活性。
m etastases in breas t cancer w ith ad juvan t clod ronate treatm ent [ J] . N Eng l J M ed, 1998, 339( 6) : 357- 363.
[ 33 ]
Pow les T J, Paterson AH, N even taus S. A d juvan t clod ronate redu ces the inciden ce of bone m etastases in pat ien ts w ith prim ary operab le b reast cancer[ J] . Proc Am S oc C lin O ncol, 1998, 17: 468.
1989年 Strokes和 H a ll首次提出整合子的概 念 [ 1]。整合 子是在对耐药质粒 和转 座子进 行系 统研究 的过 程中被 发现
的。整合子本身无法进行转移, 但整合 子常常出现 在转座子 及接合性质粒上, 从而提高了耐药基因盒扩 散的能力 [ 3] 。目 前已在大多数革兰阴 性菌中检测到多种整合子。
不同的基因盒有不同的结 构和功能, 但其基本 结构是一 致的。每个基因盒由 基因及 3 末端的 1个 回文序 列 attC 组 成。 a ttC 由 1个可被整合酶识别 的特异 性重组位 点组成, 由 于第 1个 发现的 attC 位点有 1个 59个碱 基长的 片段, 所以 以前也称 a ttC 为 ! 59 bp片段 ∀。每个 attC位点的左右两端各 有 1个由 7个 碱基对组成的反向 核心序列和核心序列 , 核心 位点的序列为 GTTRRRY ( R: 嘌 吟, Y: 嘧啶 ), 位于 attC 位点 的右侧。互补的反 向核心 序列为 RYYYAAC, 位于 attC 位点 的左侧 [ 2] 。 2 整合子的结构与分类
整合子根 据其整合酶基因不同分为 6 类, 其 中 1、2、3类 整合子得到 了较 细 致的 研 究, 并已 被证 明 与细 菌 耐药 性有 关。
1类整合子最常见也 是最早 被发现 的整合 子, 其 基因盒 的移动已得到证实, 从临床 菌株中 发现的整 合子大 多属于 1 类整合子。大多数 1类整合 子具有 3 保守末 端, 该 末端由 3 个开放阅读框组成, 第 1个是 qacE 1, 赋予细 菌对季 铵类化 合物的耐药性 , 是 qacE 基 因的 截断 衍生 物。第 2 个开 放阅 读框是 sul,l 赋予细菌对 磺胺类 药物的 耐药 性。第 3 个开放 阅读框是 ORF5, 目前 未发 现其功 能。对于 大多 数 1 类整合 子而言, 5保守末端均相似, 而 3 保守末 端存在 差异, 这些差 异均来源于 某些 基因 的插 入或 删除。 2 类整 合子 一般 嵌于 T n7转坐子及其衍 生物左端附近的特异位点。 Tn7上的整合 子携带 1 个不完整 的整合酶基 因及毗邻的 3个基因 盒, 2类 整 合酶 int# 2与 int# 1有 40% 的同源性, 且 3保守末端包括 5个 tns基因, 协助 转座 子 移动。 3 类整 合 子目 前 仅报 道一 种, 其整合酶基因 in t# 3与 int# 有 61% 相 同, 碳青 霉烯耐药 性金属酶基因 ( blaIM P) 位于该类整合子上, 其余结 构尚不明 确 [ 5] 。 4类整合子是一种特殊的 整合子, 存在 于霍乱 弧菌菌 株中, 目前未发现这类整合子与抗生素耐药性有关 [ 6] 。