新型耐药基因传播元件ISCR

1、新式耐药基因流传元件：ISCR【纲要】跟着抗生素的宽泛使用和滥用，细菌的耐药问题日趋严重。转座子和整合子能够解说大部分耐药基因在DNA分子间的挪动，但它们不可以解说耐药基因挪动的实质和耐药基因亚种的增加。本文介绍一类流传耐药基因元件ISCR，并说明抗生素耐药基因宽泛流传的实质。经过借鉴近几年来国内外研究的成就，归纳阐述ISCR因子与各种抗生素耐药基因的关系，这对耐药基因流传研究拥有必定的指导意义。【重点词】插入序列(IS)；共同区域(CR)；耐药基因ABSTRACTWiththewidespreadusingofantibiotic,theissueofantibioticresistance

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

3、idespreadofantibioticresistancegenesisilluminated.Withtheresearchinlastfewyears,therelationshipcomeoutbetweenantibioticresistancegenesandISCRelements.Thiswillplayapositiveroleintheaspectofspreadofantibioticgenes.KEYWORDSIS;CR;Resistancegenes细菌抗衡生素的耐药性再一次成为临床和科学研究的热门。新式“超级致病菌”在临床治疗中的不停出现，显示了细菌不停改变耐药形

4、式以适应环境变化的惊人能力1。细菌拥有一套功能强盛的工具以适应细胞基因遗传信息的改变，这套“基因工具盒”与过去对比，拥有更强盛的功能2。半个世纪以来，固然细菌的变异在抗生素耐药性进化中起侧重要的作用，但获取抗生素耐药基因依旧占主要地位。跟着人类和其余一些重要动(植)物有关的细菌之间获取和流传抗生素耐药基因数据的迅速累积，我们认识到耐药基因的水平转移受多重要素的驱遣，耐药基因可经过在细胞间和DNA分子间转移来流传。近期发现，固然这些系统可以解说耐药基因经过转座子(Tn)或整合子(Int)在质粒间、质粒与染色体间以致同种或不一样种属的革兰阴性菌或革兰阳性菌间迁徙扩散3，但它不可以解说传播的实质和耐

5、药基因变种增加的原由。插入序列(insertionsequence，IS)是染色体特别的构成部分，可从染色体基因组上的一个地点转移到另一个地点，甚至可在不一样的染色体之间跳跃4。插入序列属于高度可移动性转座因子(transposableelement)，是对基因组一个或多个靶位点拥有插入能力的小分子DNA片段(2.5kb)，并经常能够挪动周边的基因。IS在原核和真核生物界宽泛存在，因为它在基因组中的插入可能影响细菌基因的表达和突变，当前已成为细菌分子生物学领域研究的热门之一5。近期的很多研究为IS因子的活性供给一些论据，此中包含当出现一些致病菌时，IS因子的大批繁殖及IS因子联合基因进入质粒进

6、行复制的重要作用6等。多种耐抗生素基因经常与被称为“共同地区”(CRs:commonregions)的基因相邻，且在第一类整合子以外但凑近一类整合子的3守旧尾端，对这些CRs进行对照分析显示它们相互有关齐集为一类特别的插入序列，被以为是IS91?like。IS91和近似的转座因子与插入序列不一样，因为它们缺乏尾端反向重复序列(IRs:invertedrepeats)，所以它们转移周边耐药基因是经过滚环复制的形式进行的。它们转座周边的DNA序列也与大部分IS因子不一样7，能够由CR因子的单拷贝介导8。CRs是一类经过滚环复制(RCR:rolling?circlereplication)转座的IS

7、91?like因子家族的延长成员，CRs能够解说每一类抗生素转移的实质。1ISCR的特色1.1ISCR是近似IS91的转座因子IS91家族共有8个成员，即IS91、IS1294、IS801、ISFn1及其两个亚种、IS92L和IS92R，此中对IS91、IS801和IS1294研究数据许多。IS91及其有关的转座因子IS801和IS1294是不平常的，它们拥有不一样于其余一般转座因子的三个特色：它们缺乏很多插入因子中广泛存在的终端反向重复序列9，10；IS91的转座体制不一样于大部分转座因子，它们是经过滚环复制对周边耐药基因进行转座(图1)8。因为转座因子初始复制的原由，每个因子编码的单个蛋白

8、是同源转座，同时说明停止复制优先于最后转座重组7。转座因子的转座是一个行进的系统，oriIS是转座因子的一个终端，且作为复制的起点；terIS是IS91、IS801和IS1294的另一端，是复制的终点。oriIS序列可表示为5GxTTTTxAAATTCCTATxCAT3，位于IS91和IS1294中转座基因下游大概300bp处，位于IS801转座基因的下游179bp处。在CR序列下游240250bp处拥有与oriIS序列十分相像的连续序列(5GCGTTTGAACTTCCTATACxx3)。在这个基础上，若是CR编码的蛋白质存在可能的同源性，那么CR序列的尾端是滚环复制起点的结论就是合理的。所以

9、，CR序列拥有与相像地点IS91?like因子的两个主要特色，CRs是IS91?like的转座因子。相应地，为了重申它们作为插入序列的同源性和它们被发现的历史，我们假定它们是特定的ISCR因子。用来划分CRs的数字被保存下来以便区分不一样的ISCRs，所以，CR1对应图1IS1294滚环复制体制ISCR1，CR2对应ISCR2，等1。IS91、IS801和IS1294都保存着IS91的第三个特色是terIS，位于IS91和IS1294转座酶基因起点的上游大概300bp处，位于IS801转座酶基因起点的上游101bp处8。复制停止子序列terIS是一个25或26bp长度的序列，包含一个完好的六核

10、苷酸反向重复序列和四核苷酸停止序列(5GTTC3)。ISCR2的terIS因子与IS91基团的terIS因子相像，有一个小的反向重复序列，但与IS91的6bp对比，仅有4bp。ISCRs与IS91及其近似转座因子总的序列同源性大概50%1。IS91的转座因子家族IS1294已经被详尽的研究，研究结果显示，当滚环复制体制错误辨别terIS和持续向前复制与terIS相邻的DNA时，IS1294能够挪动周边的序列(图2)。计算得出IS1294一般转座发生率高达1%10%。IS1294显示了将耐卡那霉素基因从质粒pUB2380挪动到另一个质粒R388上，挪动的频次大体10-510-6。IS1294之所

11、以不平常是因为一个独自完好的拷贝能够促使对周边一端序列的转座，特别是与转座因子3端相邻的状况，且经常在IS91中出现，而其余插入序列仅能挪动插入序列两个拷贝之间的DNA11。所以，IS1294给我们一个先例，单拷贝的插入序列能够挪动周边的DNA序列。ISCR与IS1294的滚环复制体制同样，ISCR因子挪动染色体基因是经过第一步转座到一个周边染色体的地点，而后经过第二步挪动相邻的序列到一个可联合的质粒上，再经过接合作用进入其余细菌的种属。IS1294和ISCR因子展现了一个强有力的挪动系统，在理论上，它能转移任何DNA片段(图2)。与仅能转座基因盒形式的转座子系统对比，ISCR因子的系统功能更

12、强盛8。1.2ISCR的构造ISCRs嵌入到复杂的第一类整合子In6和In7中，拥有2154bp长度的序列，包含1个ORF序列，orf513编码功能不确立的513个氨基酸序列产物。共发现了12个ISCR，分别为ISCR1，ISCR2，ISCR12，每个ISCR的单个开放阅读框构成拥有较高的同源性(图3)1。这些不明功能基因的表达产物为相互相连的大概500个氨基酸，且环绕中心250个氨基酸的序列拥有17.7%95.9%的同源性(图4)。但是，CRs的同源性在两个方向延长到ORFs以外。1.3ISCRs与耐药基因相连2A：oriIS和terIS?1分别为ISCR1转座的起点和终点。带下划线的核苷酸

13、序列分别为53端读取，用粗黑体字标志的核苷酸序列与IS91、IS1294和IS801的序列相般配7。较大的带有箭头实线代表了转录方向，带有箭头的虚线代表了复制的方向和开端位置。灰色盒子代表复杂整合子的3端；B：转座的第一个事件是ISCR1转座与复杂一类整合子的3端相连或相邻的基因。正常状况下，转座酶将识别未知功能的terIS?1序列，可是转座酶误将相像的序列terIS?2识别为terIS?1。在一类复杂整合子的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，产生了整合子ISCR1复合物。转座子复合物可能会辨别与terIS?1不相像的terIS?2或terIS?3

14、作为转座的终点，也可能ISCR1不拥有转座的终点，那么，转座子复合物能够经过滚环复制转座复杂一类整合子的所有基因百事通图2ISCR1挪动一类复杂整合子ISCRs与很多耐药基因决定子相连(图5)2。ISCR1与编码氯霉素耐药基因(catAII)、甲氧苄氨嘧啶(dfrA10，dfrA23，dfrA3b，dfrA19)和氨基糖苷类(armA)相连，也和A类?材邗访?(blaCTX?M?2，blaCTX?M?9，blaCTX?M?20，blaPER?3，blaVEB?3)和C类?材邗访?(blaDHA?1，blaCMY?1，blaCMY?8，blaCMY?10，blaMOX?1)相连。近来发现，与IS

15、CR1相连的qnr基因，降低了对喹诺酮的敏感性12。ISCR2与编码耐甲氧苄啶的基因(dfrA18，dfrIX，dfrA20)，耐四环素基因(tetR)，耐氯霉素基因(floR)和耐磺胺类(sulII)相连。ISCR3存在于沙门菌属细菌基因组岛及其变种中，与qac、dfrA10、ereB、yieE和yieF相连；ISCR4与blaSPM?1基因相连；ISCR5与blaOXA?45和ant(4)IIb相连。ISCR因子与编码超广谱?材邗访富?因，挪动的氨苄C型图3ISCRs核苷酸序列的同源性对照图4ISCRs转座酶中心250个氨基酸序列的同源表(灰色标志为最高和最低同源性)图5ISCR与耐药基因

16、相连(灰色为ISCR因子)?材邗访富?因和金属型?材邗访富?因(blaSPM?1)相连，且拥有宽泛流传这些耐药基因的潜能。2ISCR介导复杂一类整合子构造的形成1在复杂的一类整合子的3守旧尾端处发现ISCR1，这仿佛是比较特其他。可能是因为ISCR1被平截，而后易位到多种其余地点的原由。若是ISCR1比其余的ISCR因子和近似IS91转座因子的序列短，但仍旧保存有转座起点oriIS和完好的转座酶基因，假定转座终点序列terIS缺失，平截3守旧尾端与平截ISCR1的5端，可能是同一个地点。ISCR1介导一系列的转座事件发生，转座ISCR1和一类整合子中不一样长度的耐药基因盒，如catA2、dfr

17、A、qnr和各样blaCMY基因。各样数据已经证明，ISCR1一旦在这些地点，近似于IS91的转座因子就具备了形成自由环状形式的能力。环状因子经过两种方式同源重组到一类整合子的3守旧尾端而获取复苏。第一种方式是环状形式的ISCR1连同耐药基因插入到一般的一类整合子的3守旧尾端，介导形成复杂的一类整合子，如In6和In7；另一种方式Mammeri等13报导的一个特别重组形式，环状形式的ISCR1因子连同耐药基因直接插入到带有一个ISCR1拷贝的整合子3守旧末端，介导形成带有两个拷贝ISCR1因子的复杂的整合子(图6)。图顶用三个步骤来解说复杂一类整合子的构造。A：ISCR1因子的滚环复制(断开3

18、保守尾端)产生了不一样长度的转座媒介。这些中间产物转座周边的耐药基因(如catA或qnr)到此外一个地点；B：第二个滚环复制事件产生了包含catA或qnr的环状媒介；C：这些环状媒介重组到另一一般一类整合子的3守旧尾端(D和E)，进而产生了复杂的一类整合子G和H，或重组到已经包含了一个ISCR1的F上，产生复杂的一类整合子I。图中的滚环复制和重组事件为自然界中宽泛的复杂的一类整合子的存在供给认识释图6ISCR1介导的复杂一类整合子构造模型3结论ISCRs因子经过不受克制的RCR转座体制挪动周边的耐药基因，且ISCRs因子仅需要单拷贝就能够挪动周边的DNA序列，所以ISCRs因子将是21世纪强有

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