2019-12-16浏览量:337

『锐帮读』与抗生素耐药相关的可移动基因元件

导读

在临床医疗中,抗生素频繁使用致使出现多种耐药菌株,这些耐药菌株难以根治,使相关疾病的治疗进展缓慢。革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌,都能从细菌基因库获得预先存在的抗性决定簇,来对抗抗生素治疗。该过程是通过能够在DNA分子内部或之间移动的可移动基因元件来完成的,包括插入序列(IS),转座子(Tn),整合子(In)和能在细菌之间转运的比如质粒和整合接合元件(ICE)。

 

本综述旨在概述革兰氏阴性和阳性菌耐药性获得和传播的主要可移动基因元件的特征,并重点关注金黄色葡萄球菌等ESKAPEE菌群,它们已成为目前导致感染率最高的几种病原体。

 

 

文献ID

题目:Mobile Genetic Elements Associated with Antimicrobial Resistance

译文:与抗生素耐药相关的可移动基因元件

期刊:Clinical Microbiology Reviews   IF:17.75

发表时间:2019-01-25

通讯作者:Sally R. Partridge

通讯单位:悉尼大学

 

可移动基因元件

耐药菌是造成感染难以医治的主要原因,由多重耐药菌引起的感染会大大增加发病率、死亡率和医疗保健成本。抗性基因很大程度上归因于可移动基因元件(MGE)的作用,MGE指促进细胞内DNA迁移(例如从染色体到质粒或质粒之间的迁移)的元件,以及能使细胞间DNA迁移的物质。

 

插入序列(IS)和转座子(Tn)是离散的DNA片段,它们能够将自身(以及相关的抗性基因)随机移动到单个细胞相同或不同DNA分子中的新位置。其他元件,例如整合子(In),使用位点特异性重组在指定位点之间移动抗性基因。由于这些类型的MGE通常以多份拷贝存在于基因组中的不同位置,因此它们也可以促进同源重组。细胞间遗传交换机制包括接合/调动(由质粒和整合接合元件[ICE]介导),转导(由噬菌体介导)和转化(细胞外DNA摄取)。各种类型MGE之间的相互作用支撑了多重耐药病原体的快速进化。这些元件和发生过程如图1所示。

 

图1 移动基因元件种类及抗生素耐药基因在胞内和细胞间转运的过程

(A) 同一个插入序列(IS)成功插入一个耐药基因的两侧,能使该耐药基因作为一个复合整合子的一部分被捕获并被转移至另一个DNA分子上(如从染色体到质粒上);(B) 携带一个耐药基因的单元转座子能在质粒之间或质粒和染色体之间转移;(C) 基因盒通过形成环状中间体可以在整合子(图中是I类整合子)之间转移;(D) 整合接合元件(ICE)能被整合到染色体或被切成一个环形元件,然后被接合入受体菌并(可逆地)整合到染色体的特异性重组位点;(E) 质粒能通过接合介导胞间转移或在缺少接合结构时被另一个质粒转移(或者通过噬菌体转导或转化),外来质粒上的Tn、In以及相关耐药基因能转移到受体菌的染色体或其他质粒上。

 

插入序列(IS)和复合转座

IS通常是小型的可移动元件,通常携带一个(有时两个)转座酶(Tnp)基因,它们可以基于Tnp中的活性位点分为几组。比如DDE、DEDD和HUH。

 

最常见的类型(DDE),其IS末端通常由末端反向重复序列(IR)定义,相对于Tnp基因的转录方向,分为左(IRL)和右(IRR)(图2A) 。转座涉及Tnp蛋白与IR的结合,由于在转座过程中修复了不同DNA链中交错的结果,许多IS产生了短的侧翼直接重复序列(DR,通常为3至14 bp)。这些也称为目标位点重复(TSD)。其他类型的IS可能没有IR或没有创建TSD。ISfinder(https://www-is.biotoul.fr/)提供了IS数据库,并包含BLAST检索工具。

 

传统意义上,IS并未带有“客体”基因,但它们可将抗性基因作为复合转座子的一部分移动,该区域由相同或相关的两个IS控制,作为一个单位移动(图2B)。

 

IS6族元素IS26在革兰氏阴性菌、IS257和IS1216在革兰氏阳性菌的抗性决定簇的传播中起着关键作用。这些IS编码单个转座酶,IS26和IS257的末端IR均包含35个共有序列(TTGCAA),如果在基因上游的10个序列附近具有17 bp间隔,则可创建启动子。这些IS的运动最初是通过复制转座发生的(图2C)。此外还有ISEcp1、 ISApl1和mcr-1、IS91和ISCR等复合转座子结构。

 

图2 插入序列及复合转座子

(A) 典型的IS结构;(B) 复合转座子;(C) IS26的转位结果;(D) IS1380家族成员介导的转位单位(TPU);(E) 含有ISApl1和mcr-1的转位结构;(F) IS1294捕获转位单位ISEcp1-blaCMY-2的一部分加上159bp的相邻质粒骨架,ter端以4bp配对结尾,指定另一个4bp序列;(G) ISCR1捕获ter末端的附近区域(临近一个ori末端),它之前通过同源重组插到了一类整合子3‘-CS复制区之间。

 

转座子(Tn)

单位转座子是比IS大的元件,受IR而非一对IS的约束,包括转座酶和内部“客体”基因,可以用来编码抗生素抗性基因。抗生素抗性基因通常与Tn3家族转座子有关。Tn3家族的成员通常以38 bp的末端IR为特征,还包括一个tnpR解离基因和一个分辨(res)位点,该位点由两个或三个亚位点组成,可能包含客体基因。 

 

另一个转座子超家族(Tn7样转座子),包括与抗生素抗性相关的成员,例如革兰氏阴性菌中的Tn7、Tn402样元件,以及葡萄球菌中的Tn552。该家族成员可以参与转座的多个编码产物的基因,也可能针对特定位点。

 

Tn3家族转座子

Tn3家族的原型以及其近亲Tn1、Tn2是革兰氏阴性菌中最早鉴定出的一些单位转座子。其中tnpA和tnpR以相反的方向转录,res位点在它们之间(图3A)。

 

Tn5393在与Tn3中blaTEM等效的位置携带strAB(链霉素抗性)基因对。已经鉴定出具有不同插入的Tn5393的完整拷贝,但在质粒和基因岛中,Tn5393的片段比完整的转座子更常见。

 

革兰氏阳性菌中的Tn3家族成员是Tn1546。与Tn3的tnpA和tnpR基因相似,Tn1546的基因沿相反方向转录,并由res位点隔开。它具有38 bp的不完整IR,并在插入时产生5 bp的TSD。Tn1546引起了万古霉素耐药性在全世界的传播,主要是其与质粒的结合所致,且通过质粒递送至金黄色葡萄球菌(MRSA)等ESKAPEE菌群。

 

Tn21亚家族转座子

在Tn3家族的Tn21亚家族成员中,tnpR和tnpA基因的方向相同,而res位点在tnpR的上游。此类转座子会提供比上述更稳定的转座模块。Tn21亚家族元件的38 bp IR通过双链环状中间体转座并以一个方向插入特定位置,从而可能进一步阻止宿主转座子的运动。

 

Tn4401

能携带blaKPC的Tn4401也属于广义的Tn3家族,但与Tn3的TnpA蛋白相似度很低,且TnpR和核苷酸序列不同。Tn4401的结构也不同于Tn3,blaKPC、上游的ISKpn7及下游的ISKpn6都位于Tn4401的IRR和tnpA基因末端之间。看起来像一个祖先转座子插入了blaKPC的上游,而ISKpn6的插入破坏了原来的IRR,并且在随后的转位事件中强制使用被替代的下游序列。

 

图3 Tn3家族转座子 (A) Tn3家族  (B) Tn21亚家族  (C) Tn4401

 

与Tn7相关的转座子

分为Tn7、Tn402样转座子、Tn552以及组成A.baumannii抗性岛的转座子。

 

图4 与Tn7相关的转座子 (A)Tn7;(B)In / Tn的演变;(C)Tn552;(D)组成A.baumannii抗性岛的转座子;(E)GIsul2。

 

基因盒与整合子(In)

基因盒是一种小的移动元件(大约0.5-1kb),由单个基因(有时两个)组成,通常缺少启动子和一个attC重组位点。基因盒可以以游离的环形形式存在,但不具有复制性,通常发现插入整合子(图1),该整合子包含intl基因、attI重组位点和启动子Pc。intI编码一种非典型的位点特异性酪氨酸重组酶,与该家族的其他成员相比,它有一个额外的结构域,催化整合子attI位点和基因盒attC位点之间的重组。这将基因盒按某种方向插入整合子,使得来自Pc启动子的盒载基因得以表达。多个基因盒可以插入到同一个整合子中,以创建可能表达多重耐药的盒式阵列。根据IntI的序列(称为IntI1、IntI2、IntI3等,对应同源的attI1、attI2和attI3位点)定义了不同种类的整合子,在抗生素耐药临床分离株中,I类整合子是最常见的一种。

 

抗性质粒

质粒是携带其它移动基因元件的重要载体,革兰氏阴性和阳性菌中都有与其相关的抗微生物抗性基因,它们的大小从不到1千碱基到数兆碱基不等。它们在染色体外存在是因为具有复制能力,因此在宿主细胞中遗传。编码这些功能的基因形成一个“骨架”,代表质粒功能的核心,还可以添加“辅助的”适应性活动,在特定环境中可能有益于宿主细胞(以及质粒本身)的活动。在抗性质粒中,这些辅助区域通常由一个或多个抗性基因和上述类型的相关移动元件(IS、Tn和/或In)组成。

 

图5 肠杆菌科中与抗生素抗性相关的主要质粒图

 

基因岛(GI)

基因岛(GI)是通过水平转移获得的细菌染色体上的一个独特区域;大多数情况下,其两侧有大小不等的DR。基因岛的大小各不相同,可能由几百个基因组成,并可根据它们编码的表型进行分类。例如,含有多种抗性决定因子的被称为抗性岛,而含有毒力因子的则被称为致病岛。基因岛的广义定义包括具有迁移功能的元件,如接合转移元件(ICE)、整合移动元件(IME),以及从染色体上切除的并可通过噬菌体介导的机制水平转移的元件,如葡萄球菌盒染色体(SCCmec)和金黄色葡萄球菌致病岛(SaPI)。

 

图6 SCCmec的代表性结构

 

全基因组测序(WGS)的优势与挑战

DNA二代测序日益普及,使细菌全基因组测序数量暴涨。这些数据的分析强调了MGE的重要性,这项技术不仅为理解病原体抗药性的进化提供了机会,而且也带来了挑战。例如过去明确的元件类型之间的界限正在变得模糊,命名新元素时需要注意。

 

数据库中的很多质粒序列均来自短读长的测序方法,而质粒或基因岛中的复杂抗性区域对于短读长数据的组装存在难点,相同移动元件在不同位置的多个拷贝构成的重复通常超出读长。许多MGE和质粒序列非常保守,因此序列错误会非常明显,需要检查和纠正。由于质粒序列相对于整个染色体而言较小,仔细检查质粒序列和装配是可行的。提交到数据库时,标准化其起点和方向,以简化比较分析。

 

 

研究结论

基因转移在获得新特性(如致病性和抗生素抗性)方面起着重要作用,从而增强了细菌的适应能力。这篇综述概述了MGE的多样化工具,以及其所代表的进化挑战。说明了各种移动元素类型如何相互影响,是它们不同特性的协同融合支撑了这些细菌的适应能力。当前知识主要基于临床菌株的分析,依然非常有限。我们还需对导致细菌病原体抗药性的生态途径有更全面的了解。

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