新型耐藥基因傳播元件ISCR

1、新式耐藥基因流傳元件：ISCR【綱要】跟著抗生素的寬泛使用和濫用，細(xì)菌的耐藥問題日趨嚴(yán)重。轉(zhuǎn)座子和整合子能夠解說大部分耐藥基因在DNA分子間的挪動(dòng)，但它們不可以解說耐藥基因挪動(dòng)的實(shí)質(zhì)和耐藥基因亞種的增加。本文介紹一類流傳耐藥基因元件ISCR，并說明抗生素耐藥基因?qū)挿毫鱾鞯膶?shí)質(zhì)。經(jīng)過借鑒近幾年來國內(nèi)外研究的成就，歸納闡述ISCR因子與各種抗生素耐藥基因的關(guān)系，這對(duì)耐藥基因流傳研究擁有必定的指導(dǎo)意義?！局攸c(diǎn)詞】插入序列(IS)；共同區(qū)域(CR)；耐藥基因ABSTRACTWiththewidespreadusingofantibiotic,theissueofantibioticresistance

2、becomemoreandmoreseriousgradually.TransposonandintegronsystemscaninterpretmostofthemovementofresistancegenesbetweenDNAmolecules,buttheyfailtorevealthespreadofasubstantialandgrowingsubsetofresistancegenes.Inthispaper,aspreadelementofantibioticresistancegenes:ISCRelementisintroduced,andthenatureofthew

3、idespreadofantibioticresistancegenesisilluminated.Withtheresearchinlastfewyears,therelationshipcomeoutbetweenantibioticresistancegenesandISCRelements.Thiswillplayapositiveroleintheaspectofspreadofantibioticgenes.KEYWORDSIS;CR;Resistancegenes細(xì)菌抗衡生素的耐藥性再一次成為臨床和科學(xué)研究的熱門。新式“超級(jí)致病菌”在臨床治療中的不停出現(xiàn)，顯示了細(xì)菌不停改變耐藥形

4、式以適應(yīng)環(huán)境變化的驚人能力1。細(xì)菌擁有一套功能強(qiáng)盛的工具以適應(yīng)細(xì)胞基因遺傳信息的改變，這套“基因工具盒”與過去對(duì)比，擁有更強(qiáng)盛的功能2。半個(gè)世紀(jì)以來，固然細(xì)菌的變異在抗生素耐藥性進(jìn)化中起側(cè)重要的作用，但獲取抗生素耐藥基因依舊占主要地位。跟著人類和其余一些重要?jiǎng)?植)物有關(guān)的細(xì)菌之間獲取和流傳抗生素耐藥基因數(shù)據(jù)的迅速累積，我們認(rèn)識(shí)到耐藥基因的水平轉(zhuǎn)移受多重要素的驅(qū)遣，耐藥基因可經(jīng)過在細(xì)胞間和DNA分子間轉(zhuǎn)移來流傳。近期發(fā)現(xiàn)，固然這些系統(tǒng)可以解說耐藥基因經(jīng)過轉(zhuǎn)座子(Tn)或整合子(Int)在質(zhì)粒間、質(zhì)粒與染色體間以致同種或不一樣種屬的革蘭陰性菌或革蘭陽性菌間遷徙擴(kuò)散3，但它不可以解說傳播的實(shí)質(zhì)和耐

5、藥基因變種增加的原由。插入序列(insertionsequence，IS)是染色體特別的構(gòu)成部分，可從染色體基因組上的一個(gè)地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地點(diǎn)，甚至可在不一樣的染色體之間跳躍4。插入序列屬于高度可移動(dòng)性轉(zhuǎn)座因子(transposableelement)，是對(duì)基因組一個(gè)或多個(gè)靶位點(diǎn)擁有插入能力的小分子DNA片段(2.5kb)，并經(jīng)常能夠挪動(dòng)周邊的基因。IS在原核和真核生物界寬泛存在，因?yàn)樗诨蚪M中的插入可能影響細(xì)菌基因的表達(dá)和突變，當(dāng)前已成為細(xì)菌分子生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱門之一5。近期的很多研究為IS因子的活性供給一些論據(jù)，此中包含當(dāng)出現(xiàn)一些致病菌時(shí)，IS因子的大批繁殖及IS因子聯(lián)合基因進(jìn)入質(zhì)粒進(jìn)

6、行復(fù)制的重要作用6等。多種耐抗生素基因經(jīng)常與被稱為“共同地區(qū)”(CRs:commonregions)的基因相鄰，且在第一類整合子以外但湊近一類整合子的3守舊尾端，對(duì)這些CRs進(jìn)行對(duì)照分析顯示它們相互有關(guān)齊集為一類特別的插入序列，被以為是IS91?like。IS91和近似的轉(zhuǎn)座因子與插入序列不一樣，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈ξ捕朔聪蛑貜?fù)序列(IRs:invertedrepeats)，所以它們轉(zhuǎn)移周邊耐藥基因是經(jīng)過滾環(huán)復(fù)制的形式進(jìn)行的。它們轉(zhuǎn)座周邊的DNA序列也與大部分IS因子不一樣7，能夠由CR因子的單拷貝介導(dǎo)8。CRs是一類經(jīng)過滾環(huán)復(fù)制(RCR:rolling?circlereplication)轉(zhuǎn)座的IS

7、91?like因子家族的延長成員，CRs能夠解說每一類抗生素轉(zhuǎn)移的實(shí)質(zhì)。1ISCR的特色1.1ISCR是近似IS91的轉(zhuǎn)座因子IS91家族共有8個(gè)成員，即IS91、IS1294、IS801、ISFn1及其兩個(gè)亞種、IS92L和IS92R，此中對(duì)IS91、IS801和IS1294研究數(shù)據(jù)許多。IS91及其有關(guān)的轉(zhuǎn)座因子IS801和IS1294是不平常的，它們擁有不一樣于其余一般轉(zhuǎn)座因子的三個(gè)特色：它們?nèi)狈芏嗖迦胍蜃又袕V泛存在的終端反向重復(fù)序列9，10；IS91的轉(zhuǎn)座體制不一樣于大部分轉(zhuǎn)座因子，它們是經(jīng)過滾環(huán)復(fù)制對(duì)周邊耐藥基因進(jìn)行轉(zhuǎn)座(圖1)8。因?yàn)檗D(zhuǎn)座因子初始復(fù)制的原由，每個(gè)因子編碼的單個(gè)蛋白

8、是同源轉(zhuǎn)座，同時(shí)說明停止復(fù)制優(yōu)先于最后轉(zhuǎn)座重組7。轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座是一個(gè)行進(jìn)的系統(tǒng)，oriIS是轉(zhuǎn)座因子的一個(gè)終端，且作為復(fù)制的起點(diǎn)；terIS是IS91、IS801和IS1294的另一端，是復(fù)制的終點(diǎn)。oriIS序列可表示為5GxTTTTxAAATTCCTATxCAT3，位于IS91和IS1294中轉(zhuǎn)座基因下游大概300bp處，位于IS801轉(zhuǎn)座基因的下游179bp處。在CR序列下游240250bp處擁有與oriIS序列十分相像的連續(xù)序列(5GCGTTTGAACTTCCTATACxx3)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，若是CR編碼的蛋白質(zhì)存在可能的同源性，那么CR序列的尾端是滾環(huán)復(fù)制起點(diǎn)的結(jié)論就是合理的。所以

9、，CR序列擁有與相像地點(diǎn)IS91?like因子的兩個(gè)主要特色，CRs是IS91?like的轉(zhuǎn)座因子。相應(yīng)地，為了重申它們作為插入序列的同源性和它們被發(fā)現(xiàn)的歷史，我們假定它們是特定的ISCR因子。用來劃分CRs的數(shù)字被保存下來以便區(qū)分不一樣的ISCRs，所以，CR1對(duì)應(yīng)圖1IS1294滾環(huán)復(fù)制體制ISCR1，CR2對(duì)應(yīng)ISCR2，等1。IS91、IS801和IS1294都保存著IS91的第三個(gè)特色是terIS，位于IS91和IS1294轉(zhuǎn)座酶基因起點(diǎn)的上游大概300bp處，位于IS801轉(zhuǎn)座酶基因起點(diǎn)的上游101bp處8。復(fù)制停止子序列terIS是一個(gè)25或26bp長度的序列，包含一個(gè)完好的六核

10、苷酸反向重復(fù)序列和四核苷酸停止序列(5GTTC3)。ISCR2的terIS因子與IS91基團(tuán)的terIS因子相像，有一個(gè)小的反向重復(fù)序列，但與IS91的6bp對(duì)比，僅有4bp。ISCRs與IS91及其近似轉(zhuǎn)座因子總的序列同源性大概50%1。IS91的轉(zhuǎn)座因子家族IS1294已經(jīng)被詳盡的研究，研究結(jié)果顯示，當(dāng)滾環(huán)復(fù)制體制錯(cuò)誤辨別terIS和持續(xù)向前復(fù)制與terIS相鄰的DNA時(shí)，IS1294能夠挪動(dòng)周邊的序列(圖2)。計(jì)算得出IS1294一般轉(zhuǎn)座發(fā)生率高達(dá)1%10%。IS1294顯示了將耐卡那霉素基因從質(zhì)粒pUB2380挪動(dòng)到另一個(gè)質(zhì)粒R388上，挪動(dòng)的頻次大體10-510-6。IS1294之所

11、以不平常是因?yàn)橐粋€(gè)獨(dú)自完好的拷貝能夠促使對(duì)周邊一端序列的轉(zhuǎn)座，特別是與轉(zhuǎn)座因子3端相鄰的狀況，且經(jīng)常在IS91中出現(xiàn)，而其余插入序列僅能挪動(dòng)插入序列兩個(gè)拷貝之間的DNA11。所以，IS1294給我們一個(gè)先例，單拷貝的插入序列能夠挪動(dòng)周邊的DNA序列。ISCR與IS1294的滾環(huán)復(fù)制體制同樣，ISCR因子挪動(dòng)染色體基因是經(jīng)過第一步轉(zhuǎn)座到一個(gè)周邊染色體的地點(diǎn)，而后經(jīng)過第二步挪動(dòng)相鄰的序列到一個(gè)可聯(lián)合的質(zhì)粒上，再經(jīng)過接合作用進(jìn)入其余細(xì)菌的種屬。IS1294和ISCR因子展現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)有力的挪動(dòng)系統(tǒng)，在理論上，它能轉(zhuǎn)移任何DNA片段(圖2)。與僅能轉(zhuǎn)座基因盒形式的轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)對(duì)比，ISCR因子的系統(tǒng)功能更

12、強(qiáng)盛8。1.2ISCR的構(gòu)造ISCRs嵌入到復(fù)雜的第一類整合子In6和In7中，擁有2154bp長度的序列，包含1個(gè)ORF序列，orf513編碼功能不確立的513個(gè)氨基酸序列產(chǎn)物。共發(fā)現(xiàn)了12個(gè)ISCR，分別為ISCR1，ISCR2，ISCR12，每個(gè)ISCR的單個(gè)開放閱讀框構(gòu)成擁有較高的同源性(圖3)1。這些不明功能基因的表達(dá)產(chǎn)物為相互相連的大概500個(gè)氨基酸，且環(huán)繞中心250個(gè)氨基酸的序列擁有17.7%95.9%的同源性(圖4)。但是，CRs的同源性在兩個(gè)方向延長到ORFs以外。1.3ISCRs與耐藥基因相連2A：oriIS和terIS?1分別為ISCR1轉(zhuǎn)座的起點(diǎn)和終點(diǎn)。帶下劃線的核苷酸

13、序列分別為53端讀取，用粗黑體字標(biāo)志的核苷酸序列與IS91、IS1294和IS801的序列相般配7。較大的帶有箭頭實(shí)線代表了轉(zhuǎn)錄方向，帶有箭頭的虛線代表了復(fù)制的方向和開端位置?；疑凶哟韽?fù)雜整合子的3端；B：轉(zhuǎn)座的第一個(gè)事件是ISCR1轉(zhuǎn)座與復(fù)雜一類整合子的3端相連或相鄰的基因。正常狀況下，轉(zhuǎn)座酶將識(shí)別未知功能的terIS?1序列，可是轉(zhuǎn)座酶誤將相像的序列terIS?2識(shí)別為terIS?1。在一類復(fù)雜整合子的3端和完好的ISCR1的5端的小片段DNA被平截，terIS?1也被截掉，所以，產(chǎn)生了整合子ISCR1復(fù)合物。轉(zhuǎn)座子復(fù)合物可能會(huì)辨別與terIS?1不相像的terIS?2或terIS?3

14、作為轉(zhuǎn)座的終點(diǎn)，也可能ISCR1不擁有轉(zhuǎn)座的終點(diǎn)，那么，轉(zhuǎn)座子復(fù)合物能夠經(jīng)過滾環(huán)復(fù)制轉(zhuǎn)座復(fù)雜一類整合子的所有基因百事通圖2ISCR1挪動(dòng)一類復(fù)雜整合子ISCRs與很多耐藥基因決定子相連(圖5)2。ISCR1與編碼氯霉素耐藥基因(catAII)、甲氧芐氨嘧啶(dfrA10，dfrA23，dfrA3b，dfrA19)和氨基糖苷類(armA)相連，也和A類?材邗訪?(blaCTX?M?2，blaCTX?M?9，blaCTX?M?20，blaPER?3，blaVEB?3)和C類?材邗訪?(blaDHA?1，blaCMY?1，blaCMY?8，blaCMY?10，blaMOX?1)相連。近來發(fā)現(xiàn)，與IS

15、CR1相連的qnr基因，降低了對(duì)喹諾酮的敏感性12。ISCR2與編碼耐甲氧芐啶的基因(dfrA18，dfrIX，dfrA20)，耐四環(huán)素基因(tetR)，耐氯霉素基因(floR)和耐磺胺類(sulII)相連。ISCR3存在于沙門菌屬細(xì)菌基因組島及其變種中，與qac、dfrA10、ereB、yieE和yieF相連；ISCR4與blaSPM?1基因相連；ISCR5與blaOXA?45和ant(4)IIb相連。ISCR因子與編碼超廣譜?材邗訪富?因，挪動(dòng)的氨芐C型圖3ISCRs核苷酸序列的同源性對(duì)照?qǐng)D4ISCRs轉(zhuǎn)座酶中心250個(gè)氨基酸序列的同源表(灰色標(biāo)志為最高和最低同源性)圖5ISCR與耐藥基因

16、相連(灰色為ISCR因子)?材邗訪富?因和金屬型?材邗訪富?因(blaSPM?1)相連，且擁有寬泛流傳這些耐藥基因的潛能。2ISCR介導(dǎo)復(fù)雜一類整合子構(gòu)造的形成1在復(fù)雜的一類整合子的3守舊尾端處發(fā)現(xiàn)ISCR1，這仿佛是比較特其他。可能是因?yàn)镮SCR1被平截，而后易位到多種其余地點(diǎn)的原由。若是ISCR1比其余的ISCR因子和近似IS91轉(zhuǎn)座因子的序列短，但仍舊保存有轉(zhuǎn)座起點(diǎn)oriIS和完好的轉(zhuǎn)座酶基因，假定轉(zhuǎn)座終點(diǎn)序列terIS缺失，平截3守舊尾端與平截ISCR1的5端，可能是同一個(gè)地點(diǎn)。ISCR1介導(dǎo)一系列的轉(zhuǎn)座事件發(fā)生，轉(zhuǎn)座ISCR1和一類整合子中不一樣長度的耐藥基因盒，如catA2、dfr

17、A、qnr和各樣blaCMY基因。各樣數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，ISCR1一旦在這些地點(diǎn)，近似于IS91的轉(zhuǎn)座因子就具備了形成自由環(huán)狀形式的能力。環(huán)狀因子經(jīng)過兩種方式同源重組到一類整合子的3守舊尾端而獲取復(fù)蘇。第一種方式是環(huán)狀形式的ISCR1連同耐藥基因插入到一般的一類整合子的3守舊尾端，介導(dǎo)形成復(fù)雜的一類整合子，如In6和In7；另一種方式Mammeri等13報(bào)導(dǎo)的一個(gè)特別重組形式，環(huán)狀形式的ISCR1因子連同耐藥基因直接插入到帶有一個(gè)ISCR1拷貝的整合子3守舊末端，介導(dǎo)形成帶有兩個(gè)拷貝ISCR1因子的復(fù)雜的整合子(圖6)。圖頂用三個(gè)步驟來解說復(fù)雜一類整合子的構(gòu)造。A：ISCR1因子的滾環(huán)復(fù)制(斷開3

18、保守尾端)產(chǎn)生了不一樣長度的轉(zhuǎn)座媒介。這些中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)座周邊的耐藥基因(如catA或qnr)到此外一個(gè)地點(diǎn)；B：第二個(gè)滾環(huán)復(fù)制事件產(chǎn)生了包含catA或qnr的環(huán)狀媒介；C：這些環(huán)狀媒介重組到另一一般一類整合子的3守舊尾端(D和E)，進(jìn)而產(chǎn)生了復(fù)雜的一類整合子G和H，或重組到已經(jīng)包含了一個(gè)ISCR1的F上，產(chǎn)生復(fù)雜的一類整合子I。圖中的滾環(huán)復(fù)制和重組事件為自然界中寬泛的復(fù)雜的一類整合子的存在供給認(rèn)識(shí)釋圖6ISCR1介導(dǎo)的復(fù)雜一類整合子構(gòu)造模型3結(jié)論ISCRs因子經(jīng)過不受克制的RCR轉(zhuǎn)座體制挪動(dòng)周邊的耐藥基因，且ISCRs因子僅需要單拷貝就能夠挪動(dòng)周邊的DNA序列，所以ISCRs因子將是21世紀(jì)強(qiáng)有

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