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整合子与细菌耐药性关系的研究进展

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国外医药抗生素分册2009年第30卷第6期整合子与细菌耐药性关系的研究进展胡小行综述李国明审校(广东医学院微生物学与免疫学教研室,湛江524023)摘要:细菌耐药性是临床用药的一大难题,对其耐药机制探讨也就成为医学界研究热点,近年研究发现细菌耐药性产生与一种克隆表达载体——整合子密切相关。整合子是一种可移动基因元件,在整合酶的作用下捕获外源基因盒并使之表达,同时整合子又可整合到质粒上,或自身作为转座子的一个组成部分而参与转移,使耐药基因在不同种属问传播,目前整合子已成为革兰阴性杆菌产生耐药性的重要机制。本文就整合子与细菌多重耐药性关系作一综述。关键词:整合子;基因盒;耐药性中图分类号:R978.1文献标识码:A文章编号:1001.8751(2009)06—0255.05AdvancesintheRelationshipbetweenIntegronsandDrugResistanceofBacteriaHUXiao—hang,LIGuo・ming(DepartmentAbstract:DrugresistanceofMicrobiology,GuangdongMedicalCollege,Zhanjiang524023,China)aofbacteriaismajorproblemthatharassesclinicians.Thus,manyscientistsofmedicalcloningandexpressionVector_—一inte毋_on.Integronsisensurefieldfocustheirattentionontotheinvestigationofdrugresistancemechanisms.Inrecentyears,somestudiesindicatethattheoccurrenceofdrugresistanceiscloselylinkedcantoakindofmobilegeneticelementsthatcaptureexogenousgenecassettesandtheirexpressionundertheasanactionofintegrases.Atthesametime,integronsCanbeintegratedwiththeplasmid,orparticipateinthetransferofintegralpartallthetransposon,SOthatdrugresistancegenescanspreadamongdifferentspecies.Integronshavebecomepaperimportantdrugresistancemechanismofgram-negativeresistance.bacteria.ThisreviewsrelationshipbetweenintegronandmultidrugKeywords:integron;genecassette;drugresistance细菌耐药性问题给临床感染性疾病的治疗带来严峻挑战。过去,人们认为由于抗生素使用导致细菌基因突变积累是产生耐药性的重要原因。但后来发现,没有接触过抗生素的细菌也可产生耐药性,这表明耐药性具有可转移特点。近年来在细菌中发现了一种与耐药基因水平转移密切相关的克隆表达Stokes等【21提出整合子这一概念。整合子是一种基因单位,在整合酶的催化下,通过特异性结合位点捕获外源基因(特别是耐药基因)并使之表达,同时整合子又可整合到质粒或染色体上,或自身作为转座子的一个组成部分而参与转移【3】,使耐药基因在同种和不同种属细菌间广泛传播。1.1整合子的结构整合子由3部分组成(如图l所示):5’一保守末端(5’-conserved载体——整合子(integron)[¨。目前,整合子已成为革兰阴性菌产生耐药性的重要机制,成为研究细菌耐药传播机制的一大热点。lsegment,5‘cs)、3’一保守末端(3’一conservedre-整合子的结构和分类整合子是20世纪80年代在对耐药质粒和转座子segment,3’-cs)和两者之间的可变区(variablegion)。5’一CS包括编码整合酶(integrase,IntI)的基因j丑fJ、特异性重组位点attI和整合子可变区启动子进行系统研究的过程中发现的,并于1989年首次由收稿日期:2009-05-04作者简介:胡小行,在读硕士研究生,主要从事细菌耐药机制的研究。李国明,教授,硕士生导师,主要从事细菌耐药机制的研究。万方数据・256Ptm;!哪l答int[萌|蕊》孵警纛—一5・.你j】,爪端i可变Jx-i3。保守末立:;;图1整合子结构Figure1ThestructureofanintegronPant。IntI属于酪氨酸整合酶家族,催化基因盒在整合子上的整合和剪切,attI位于整合酶基因的上游,是外源基因盒的整合位点;启动子Pant指导下游可变区中自身无启动子的基因盒中基因的表达。3’一CS结构因整合子的种类不同而异。可变区可带有多个数量和功能不同的基因盒,但可变区并不是整合子的基本结构,有的整合子在5’.CS和3'-CS之间没有基因盒插入。1.2整合子的分类整合子根据其编码整合酶的DNA序列不同进行分类,可分为9类【41,其中对I、II、III和IV类整合子的研究较多,前3种与细菌耐药基因传播密切相关,因此又称为耐药整合子(resistanceintegron,RI)。I类整合子最常见,从临床菌株中发现的整合子大多属于此类。5’一cs有编码IntIl的基因intlI、重组位点attIl和可变区启动子Pant。大多数I类整合子的3’一cs含有sull,qacE、aadA,dfrA,bla基因,分别介导对磺胺类药物,季铵盐化合物、链霉素、甲氧苄啶、D-内酰胺类抗生素的耐药性,此外还含有一个可能与接合转座有关的可读框ORF。【5】。可变区带有不同数量基因盒,大部分是编码各种抗生素抗性的耐药基因盒,分别介导对不同抗生素耐药。II类整合子存在于Tn7或其衍生物上,其整合酶基因intl2中有一个终止密码子,编码有缺陷的整合酶Intl2,Intl2不能催化基因盒的整合与剪切。现已在不动杆菌、沙门菌和志贺菌中发现此类整合子,其中志贺菌属中的检出率最高,如在韩国分离的67株宋内志贺菌中,此类整合子的检出率为100%t61。III类整合子最初是由Arakawa等f7】在耐碳青霉烯类抗生素黏质沙雷菌的质粒上发现。目前在假单胞菌、肺炎克雷伯菌、木糖氧化产碱杆菌等革兰阴性菌中均分离出III类整合子。IV类整合子是Mazel等…在霍乱弧菌基因组中首次发现的,它除了带有与细菌耐药性有关的基因外,还有与细菌的代谢和毒力有关的基因。此类整合子带有上百个基因盒,故又称为超级整合子(superintegron,SI)。IV类整合子主要在弧菌属中发现,在产碱假单胞菌和海利斯顿菌中也发现此类整合子。万方数据WorldNotesonAntibiotics,2009,V01.30,No.62基因盒的结构基因盒是较小可移动基因元件,常以环状形式存在,也可整合到整合子中。目前发现的基因盒有80多种,不同的基因盒具有不同的结构和功能,但基本结构是一致的。如图2所示,基因盒由一个单基因(通常为耐药基因)和一个短的回文序歹iJattC组成。由于第一个被发现的attC长度为59bp,所以attC又被称为59.be,attC含有整合酶特异性识别位点,两端分别有一7个碱基对的片段,分别称为核心位,电(coresite,cs)和反向核心位。点,(inversecoresite,ICS)。核心位点的共同序列为GTTRRRY(R:嘌呤,Y:嘧啶),位于attC的右侧,反向核心位点的共同序列为RYYYAAC,位于attC的左侧,中间有一个60bp的不完全倒转重复序列,一旦转录RNA形成茎・环结构,该结构也参与基因盒的移动。由于基因盒与整合子重组是发生在核心位点GTT中的G和第一个T之间,因此核心位点GTT、G左侧碱基及T突变都将严重影响基因盒整合频率。据有关文献【9]报道,当核心位点GTT中的G与第二个T突变时,重组频率降到原来的1/40,第二个T突变时降到原来的l/170。大多数基因盒中不具有启动子,插入后必须借助于5’-CS的启动子Pant才能得以表达。基因盒总是以相同的方向插入,并且多个整合子可以插入到同一个整合子上,这就是细菌产生多重耐药性重要原因。反向核心序列核心位点L-l!!!:££::童:::j£:::::三皇::童}丁TRPF::。l基因盒二:一位点注:attC的范围在反向核心位点与核心位点之间,基因盒的范围则在2个核心位点之间。交叉点在1个核心位点的G碱基和下1个核心位点的T碱基之间图2整合子基因盒结构示意图Figure2Blockdiagramofintegrongenecassettestructure3整合子对基因盒的捕获与表达3.1整合子对基因盒的捕获在整合酶催化作用下,外源游离环状DNA通过特异性识别位点整合于整合子上,成为整合子的一部分。整合过程中,基因只按5’专3’方向插入,多个基因盒依次排列,借助于整合子的启动子Pant得以表达。整合酶主要识别位点有2个:一个是基因盒上的attC位点,一个是整合子上的attI位点。attI位点比较保守,其长度为40—70bp,5’・C5有一个核心序列GTTRRRY,而无互补的反向核心序列。重组位点位于核心序列GTT中的G和下一个核心序列T之间,国外医药抗生素分册2009年第30卷第6期Grave掣10】发现attI位点上有4个IntI结合结构域,其中3个结合结构域具有GTTA保守序列。attC位点序列和长度具有多样性,attC位点包括两对不完全反向重复序列和中间的回文序列,单链可形成茎环结构,aaC也含有4个IntI结合结构域。就I类整合子而言,基因重组可在任何一对att位点发生,但各个att位点上的发生频率存在很大差异…】。Intll也可以识别Ⅱ类和Ⅲ类整合子中的attl2和attl3,但频率很低。根据整合酶催化的交换位点不同,整合过程分为特异性整合和非特异性整合。特异性整合是在整合酶催化作用下,将闭合环状基因盒以线性结构整合于特异交换位点attI和attC。此过程是可逆的,耐药基因可被自由地整合与剪切。被切下后,由于其两端特殊结构,又恢复为环状,并可整合于其他整合子上。通过这种位点特异性重组,耐药基因从一个整合子传递到另一个整合子上,完成整合子中耐药基因的积累、重排和流动,从而使细菌形成了多重耐药性。非特异性整合是将耐药基因盒整合到attI和attC以外的第二位点(又称非特异性交换位点)。这种整合发生频率很低,基因盒的表达需依赖于整合子上适当方向的启动子,且因其周围只有一个重组位点而不能被切除。但细菌一旦整合上基因,就永久地获得了新基因。因此,非特异性整合对基因组在细菌中传播、细菌基因组、质粒、转座子进化方面具有重要意义。3.2基因盒的表达大多数基因盒没有自己的启动子,在1个整合子中,基因盒往往以5’一3’方向插入,这有利于基因盒借助5'-CS上游启动子Pant而得以表达,这种情况类似于操纵子结构。部分整合子在Pant下游还有启动子P2。目前共发现4种Pant和2种P2。Pant分为强、弱和杂交型3种,弱Pant与P2有关。Pant可单独起作用,也可与P2联合起作用。P2以灭活形式和活性形式两种方式存在l灭活形式的P2,・35和・10区之间间隔14个碱基,不利于表达,当一35区和・10区之间插入3个碱基时,间隔区变为17个碱基,形成了有活性的启动子。aadAJ的转录可由强Pant、弱Pant或弱Pant与P2联合介导,当由弱Pant与P2联合介导时,转录起始于P2,且P2起主要作用。对强Pant和P2联合介导的表达进行研究,但强度还没有确定【12】。少数基因盒具有自己的启动子,如cmlA,cmlA2和qacE等【131。位于同一整合子上的多个基因盒,其相关基因万方数据257的表达水平是不同的,受到多种因素影响,主要有以下几点:(1)基因盒上游启动子Pant或P2的强弱。不同整合子中启动子的结构与强度不同,Pant是主要的启动子l(2)基因盒在整合子上的位置。与5’一CS直接相连的基因盒表达最强,而下游的表达相对较弱。且同一基因盒在不同位点时表达水平也不同,这可能与基因盒attC内含有不完全方向重复序列容易形成茎环结构成为转录终止的信号有关,(3)耐药基因盒的数量,(4)上游基因盒的性质。对于非特异性整合的基因盒是否表达要看其上游是否具有适当的启动子;(5)位于下游表达较弱或不表达的基因盒,在抗生素选择压力下,有可能借助于整合酶重组作用插入到强启动子或靠近Pant的位置,由低水平表达转为高水平表达,耐药水平上升。此外,I类整合子Pant和Pint转录方向相对,转录产物有一段互补序列,可能对基因盒和整合酶之间的表达起着作用。4整合子与细菌多重耐药性的关系细菌耐药性产生的原因之一是由于获得外源耐药基因,大多数耐药基因位于质粒,转座子、噬菌体及整合子等可转移遗传因子上。整合子本身不能移动,但可整合到质粒或染色体上,或自身作为转座子的组成部分使耐药基因在种内和种间进行转移。因此整合子系统对于研究细菌的耐药性显得尤为重要,目前整合子与细菌耐药性的关系研究已成为热点【14】。在国外,不仅从临床菌株,而且从环境和牲畜分离的菌株中都检测到了整合子介导细菌耐药性的存在【15】。我国从沙门菌中也检测到了第一类整合子【16】,并证实携带有整台子的菌株要比不携带整合子的菌株更容易产生多重耐药性【17】。Krauland等[181对全球范围内整合子介导的沙门菌耐药性进行研究,从4个8个国家的90株沙门菌中发现4种整合子,并且许多菌株的整合子携带有相似的基因盒,它们对沙门菌耐药基因在全球范围内克隆表达和水平转移发挥重要作用。Jiang等【191利用琼脂稀释法、PFGE法、PCR技术及DNA测序法对甘肃人民医院病房内多重耐药鲍曼不动杆菌与耐药性及整合子之间的关系进行了研究,发现鲍曼不动杆菌具有高度耐药性,且整合子都携带aadAJ,aadA5.aacA4,aac3,catB8,aacCJ、aac陋7)一Ib,drfAJ7和drf8基因,这表明多重耐药鲍曼不动杆菌在医院内广泛分布,且整合子与其耐药性密切相关258YU等【20】利用PCR技术和K—B法对复旦大学儿童医院福氏志贺菌中I类整合子流行情况及整合子与细菌耐药性的关系进行研究发现,51株福氏志贺菌中,46株(90.2%)携带intI基因,22株(43.1%)携带有I类整合子,携带intI基因的46株福氏志贺菌中22株显示qacE阳性,携带I类整合子的菌株对氨苄西林和氯霉素耐药率远高于未携带I类整合子的菌株,这表明儿童中福氏志贺菌I类整合子携带率比较高,且I类整合子的携带和细菌耐药性密切相关。Erwin等121】从99名慢性耳炎儿童患者中分离出肠杆菌,将其随机分为用药组和安慰剂组,利用药物菌耐药性及整合子阳性率的影响,结果发现,6周以后,用药组67%具有耐药性,整合子阳性率为79%,而安慰剂组17%具有耐药,整合子阳性率仅为22%,12周以后,用药组和安慰剂组耐药率分别为91%和产生耐药性的重要因素,同时也表明细菌耐药性与整合子密切相关。Jubelle等[22蜊用PFGE对澳大利亚不同医院近几因表达提供启动子,当然I类整合子还携带其他耐药整合子不仅存在于肠杆菌和其他革兰阴性茵中,Nandi等[24】研究发现革兰阳性菌中也存在大量整整合子是细菌的DNA片段,多聚酶链式反应肖增璜等1251根据GenBank/EMBL内的第一、二和三万方数据WorldNotesonAntibiotics,2009,V01.30,No.6因的多重PCR方法。李心晖等【261根据整合酶基因的保守序列,设计了简并引物检测临床分离的革兰阴性杆菌携带的3类整合酶基因,并使用HinfI和Avail两种性核酸内切酶对PCR产物进行酶切分析,根据酶切片段大小来判断所携带整合酶的类型,为全面细致研究整合子介导的细菌耐药提供了一种快速、简便的方法。实时PCR方法使整合子检测更快捷【2”,该法不需经过DNA的纯化,不失为一种很有前景的快速价廉的整合子检测筛选方法。除PCR技术外,还有2种比较常见的方法:(1)运用Southern—blot技术128】,根据常见基因盒的种类设计探针,经,:P标记后,与转入尼龙膜的待测耐药菌株的基因组DNA酶切片段作DNA.DNA杂交,判断细菌有无整合子及相应的基因盒存在。结合PCR结果绘制整合子图谱;(2)应用脉冲场凝胶电泳技术,根据许多整合子的已知酶切位点,用X—bal等进行酶切,确定整合子的来源,或将酶切片段克隆到质粒上,建立的重组体可用于对整合子所含各个基因盒的功能进行分析。但这些方法目前还仅用于研究,尚不能用于临床常规检测。因此,仍需建立更为理想且经济实用的检测方法来检测整合子及其携带的耐药基因。6结语整合子的发现一方面为细菌耐药性的控制带来困难,另一方面也为细菌耐药机制的研究提供了新的思路。随着研究的深入,还有许多方面需要进一步探讨:(1)整合子整合和剪切基因盒的确切机制有待体外整合和剪切反应体系的建立;(2)整合子中基因盒的来源及其关系,(3)宿主因子对基因盒表达的影响;(4)整合子3’端ORF的功能和作用I(5)快速简便的整合子检测方法的建立等。对整合子的进一步研究将有助于对细菌耐药机制的深入理解,以指导临床合理使用抗生素,也为新抗生素的研发提供了新途径。参考文献【1】HallRM,CollisCM.Mobilegenecassettesandinte-grons:captureandspreadofgenesbysite・-specificre--combination[J].MolMicrobiol,1995,15(4):593【2】StokesHW,HallRM.Anovelfamilyofpoten.tiallymobileDNAelementsencodingsitespe—cificgeneintegrationfunctions:integrons【J】.MolMicrobiol,1989,3(12):1669【3】SundeM,NordstromM。Theprevalenceofassociations敏感试验测定甲氧苄啶和新诺明长时间使用对肠杆21%,整合子盛行,这充分表明抗生素使用是细菌年耐药鲍曼不动杆菌进行检测,发现所有对碳青霉烯酶耐药菌株中I类整合子都带有blaoY柚,基因,且blaoxA_2,都与ISAbal相邻,ISAbal被认为是为耐药基基因,在其他不相关的菌株中也发现有相同的基因盒,甚至建议把I类整合子的存在作为鲍曼不动杆菌是否耐药的标志【23】,说明耐药基因在整合子作用下可发生水平转移。合子,并且其整合子内的基因盒表达水平高于肠杆菌。对整合子的深入研究为阐明细菌耐药性机制以及耐药基因在种内和种间传播提供新思路,对预防和控制耐药基因的水平传播具有重要作用。5整合子的检测方法(PCR)技术是检测整合子的一种重要的分子生物学方法,PCR技术根据整合子各部分(如5’C5、可变区、3’.cs)设计寡聚核苷酸引物,进行扩增、测序、酶切,确认整合子的存在和所带基因盒种类及位置。类的整合酶基因序列,通过对3类整合酶基因序列的多重比对分析,分别设计出第一、二和三类的特异性引物,建立同时能检测第一、二和三类整合酶基国外医药抗生素分册2009年第30卷第6期betweenandconjugaltransferofantibioticresistancegenesinEscherichiacoliisolatedfromNorwegianmeatandmeatproducts[J].JAntimicrobChemother,.2006,58(4):741【4】SabatdM,PratsG.Structureandfunctionofirite-grons[J].EnfermInfeccMicrobiolClin,2002.,20(7):341【5】BoydD,PetersGA,CloeckaertA,eta1.Completenucleotidesequenceofa43一kilobasegenomicislandassociatedwiththemultidrugresistanceregionofSa/moneHaentcricaserovarryphimuriumDT104anditsidentificationinphagetypeDTl20andserovarAgona[J].Bacteriol,2001,183(9):5725[6】OhJY,YuHS,KimSK,eta1.ChangesinpatternsofantimicrobialsusceptibilityandintegroncarrigeamongshigellasonneiisalatesfromsouthwestenKoreaduringepidemicperiods[J].ClinMicrobiol,2003,41(1):421[7】ArakawaY,MurakamiM,SuzukiK,eta1.Anovelin.-tegronlikeelementcarryingthemetallo一6・lactamasegenebJa脚[J】.AntimicrobAgentsChemother,1995,39(7):1612[8】MazelD,DychincoB,WebbVA,eta1.AdistinctiveclassofintegronintheVibriochloeraegenome[J].Sci-ence,1998,280(5363):605[9】StokesHW’O7GormanDB.Structureandfunctionof59.baseelementrecombinationsitesassociatedwithmobilegenecassettes[J】.MolMicrobiol,,1997,26(4):731【10】GravelA,FournierB,RoyPH.DNAcomplexesob-tainedwiththeintegronintegraseIntI1attheattI1site[J].NuclAcidsRes,1998,26(19):4347【11】FranciaMVAvilaP’FdelaC.AhotspotinplasmidFforSite一.specificrecombinationmediatedbyTn21inte・・gronintegrase[J].JBacteriol,1997,179(13):4419【12】PournarasS,IkonomidisA,TzouvelekisLS,eta1.VIM一12.anovelplasmid-mediatedmetallo-B-lactamasefromKlebsiellapneumoniaethatresemblesaVIM一1/VIM一2hybrid[J】.AntimicrobAgentsChemother.,2005,A9:5153【13】PloyMC,CourvalinP,LambertT-CharacterizationofIn40ofEnterobacteraerogenesBM2688,aclass1inte—gronwithtwonewgenecassettes,cmlA2andqacF[J].AntimicrobAgentsChemother,1998,42(10):2557【14】VoAT,vanDuijkerenE,FluitAC,eta1.Antibioticresistance。integronsandSalmonellagenomieis—万方数据259landlamongnon—typhoidalSalmonellaseFovaf¥inTheNetherlands【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