金属离子抑制细菌整合子捕获耐药基因盒的机制研究

【目的】探索金属离子对整合子捕获耐药基因盒的影响及其相关机制。【方法】在大肠埃希菌中构建一个1类整合子捕获耐药基因盒的体内模型。通过实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative PCR,RT-qPCR)测定不同浓度银(0.3、0.9、1.5μg/mL的Ag+)和铜离子(5、50、100、150、210μg/mL的Cu²⁺)干预后实验组和无金属离子干预对照组整合子整合频率,并用表型筛选法验证。利用质谱法测量细菌吸收的金属离子浓度,并进一步通过转录组测序方法分析银离子抑制细菌整合子捕获耐药基因盒的分子机制。【结果】qPCR和表型筛选法的结果表明,0.9μg/mL银离子组整合频率为9.42×10^-5(6.49×10^-5,1.44×10^-4),1.5μg/mL银离子组整合频率为7.29×10^-5(4.45×10^-5,9.03×10^-5),与对照组2.59×10^-4(2.24×10^-4,3.33×10^-4)相比整合频率明显降低,差异有统计学意义(P<0.001)。而不同浓度铜离子组与对照组没有明显差异。转录组测序方法对银离子作用前后大肠杆菌基因表达水平进行对比分析,通过GO功能和KEGG通路富集发现,差异表达基因与甲基半乳糖苷转运(methylgalactoside transport)、麦芽糖转运(maltose transport)、磷酸烯醇式丙酮酸-甘油磷酸转移酶活性(phosphoenolpyruvate-glycerone phosphotransferase activity)和甘油激酶活性(glycerone kinase activity)等功能有关以及涉及氨基酸糖和核苷酸糖代谢(amino sugar and nucleotide sugar metabolism)、鞭毛组装(flagellar assembly)、阳离子抗菌肽(CAMP)耐药性[cationicantimicrobial peptide(CAMP)resistance]、果糖和甘露糖代谢和磷酸糖转移酶系统[phosphotransferase system(PTS)]等代谢通路。通过蛋白互作网络筛选出前12个枢纽基因(ptsG、malE、lamB、lacZ、malK、basR、ais、ugd、nagE、metN、malQ和malF)。【结论】一定浓度银离子可以抑制整合子整合耐药基因盒。铜离子对整合频率影响不明显,因此不是所有具有杀菌性的金属离子都能对整合频率产生影响。银离子抑制细菌整合子捕获耐药基因盒可能是通过影响麦芽糖转运和碳分解代谢来调控。然而,碳分解代谢和麦芽糖转运过程很复杂,需要进一步研究。目前尚无细菌整合子转录组学相关研究,这为解决细菌耐药性问题提供了一个新的途径。     

整合子基因盒系统及β-内酰胺酶介导的细菌耐药

整合子是一个能捕获并整合细胞外游离基因盒,并可使之转化为功能性基因的新型DNA元件。这种可移动的基因元件通过水平基因转移的方式极大地加速了抗性基因在同种及不同种属之间的传播,造成细菌的耐药以至多重耐药问题日益严重,耐药机制日趋复杂。尤其对临床上使用较多的头孢菌素类、青霉素类等β-内酰胺类抗生素的耐药,已给人类健康造成巨大威胁,急需阐明其复杂的耐药机制。     

细菌整合子与移动性基因盒的研究进展

整合子是由整合酶基因、基因盒和基因盒附着位点三者组成的遗传元件.在整合酶介导下,整合子通过位点特异的重组系统获取并交换外源DNA(基因盒),即将基因盒整合到整合子上或将之从整合子上剪切下来,但是整合子本身不能够移动.本文综述了国外近年来关于整合子与基因盒的结构特征及其分类的研究近况,对了解整合子及与之密切相关的移动性基因盒在细菌的多重耐药和毒力研究中,尤其是在适应选择性压力下细菌基因组进化中的作用具有重要的意义.     

整合子与细菌耐药性的相关研究进展

整合子是广泛存在于细菌中的一种可移动基因元件,它可以捕获外来基因盒并使其在细菌体内得到表达,在细菌耐药性的传播过程中扮演着重要角色。过去研究认为,细菌耐药是在质粒及转座子~([1])等基因水平上广泛传播,近几年大量研究表明,细菌可通过位点特异性重组的方式将耐药基因盒捕获并整合到自身的染色体或者质粒DNA上,即细菌体内存在一种天然的基因克隆表达系统——整合子。细菌耐药的高频次出现已成为临床医疗工作中的瓶颈,整合子不仅在细菌耐药中起关键作用,而且在细菌适应性及基因进化中具有普遍又重要的意义。     

肠杆菌属细菌一类整合子及其基因盒特征

整合子是捕获、整合和表达外源基因的重要元件,可以加速抗生素抗性基因的传播。本研究分析了已完成全基因组测序肠杆菌属细菌一类整合子及其基因盒的存在情况与特征。实验表明,目前62个肠杆菌属细菌,包括40个阴沟肠杆菌、11个霍氏肠杆菌和11个其它肠杆菌都完成了全基因组测序,其中40.32%(25/62)肠杆菌属细菌含有一类整合子。在25个含一类整合子的肠杆菌中,72%(18/25)携带一个整合子,28%(7/25)含有多个整合子。25个肠杆菌共存在36个整合子,其中88.89%(32/36)位于质粒上,其余11.11%(4/36)位于染色体上。肠杆菌属细菌一类整合子整合酶基因(1 014 bp)高度保守,其中一个整合子整合酶基因发生了3碱基突变(3/1 014),7个发生2碱基突变(2/1 014),13个发生1碱基突变(1/1 014 bp),其余没有突变。25个含一类整合子肠杆菌共存在18种基因盒,其中dfrA1基因盒频率最高16.13%(10/62),其次是aadA1(8.06%, 5/62),接着是aacA27-ereA-IS1247-aac3-arr2-ereA基因盒(4.84%, 3/62),其他基因盒频率低于4.0%。本研究有助于了解一类整合子在肠杆菌属细菌产生抗生素抗药性中的重要作用。     

整合子与细菌耐药性

整合子是由1个编码整合酶的intI基因、2个基因重组位点、启动子和耐药基因盒组成,根据整合酶的DNA碱基序列的不同分为4类,它能通过位点的基因重组机制使耐药基因移动,传递细菌耐药性,并与多重耐药性相关。     

100例鲍曼不动杆菌的耐药性与整合子表达及耐药基因分析

目的 了解鲍曼不动杆菌的耐药性和整合子表达及耐药基因携带情况.方法 收集100株鲍曼不动杆菌,以VITEK-64系统鉴定细菌,并进行14种抗生素药敏试验,通过PCR法检测Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类整合酶基因(intI1、2、3)及Ⅰ类整合子可变区基因盒,并对基因盒测序.结果 除阿米卡星和头孢哌酮/舒巴坦,鲍曼不动杆菌对其他12种抗菌药物耐药率均大于60.0％,多重耐药率为88.0％.鲍曼不动杆菌整合酶基因阳性率为64.0％,均为intI1,整合子阳性菌株对多数药物的耐药率显著高于整合子阴性者(P＜0.05).intI1阳性菌株中,84.4％ (54/64)扩增出整合子可变区,检出3种耐药基因盒组合形式:aac(6’)-Ib-cr-arr-3-dfrA27 14株、aacA4-catB8-aadA1 24株、aacC1-orfA-orfB-aadA1 16株.结论 临床分离的鲍曼不动杆菌多重耐药与Ⅰ类整合子表达有关.Ⅰ类整合子主要携带早期使用的氨基糖苷类抗菌药、甲氧苄啶和氯霉素耐药基因.     

细菌染色体第1类整合子捕获耐药性基因盒反应模型的构建

[背景]整合子在细菌耐药性的获得及传播中占据重要地位,对于整合反应检测方法的改良及反应机制的研究,可以加深我们对细菌耐药性产生和播散的理解,为遏制耐药菌株的产生和播散提供新的途径.[目的]在细菌染色体上构建第1类整合子反应模型,用于评价整合酶介导的基因盒位点特异性重组.[方法]采用PCR分别扩增含氯霉素耐药基因cat的...     

产超广谱β-内酰胺酶细菌中I类整合子的研究进展

产超广谱β-内酰胺酶(Extended-spectrum beta-lactamase, ESBLs)细菌的多重耐药性是临床用药的一大难题, 近年研究发现其耐药性的产生与整合子密切相关, 其中临床最常见、研究最深入的是I类整合子。整合子是一种可移动基因元件, 在整合酶的作用下捕捉外源基因盒并使之表达, 是具有基因整合和切除功能的天然克隆和表达系统。研究表明I类整合子可连续捕捉和整合多种耐药基因, 以质粒或转座子为载体在细菌之间传播耐药性, 使ESBLs细菌多重耐药趋势十分严峻。本文就I类整合子的结构特征、I类整合子对耐药基因盒的整合作用及其与ESBLs细菌耐药性的关系等方面进行综述。     

多重耐药铜绿假单胞菌中Ⅰ型整合子新结构的发现及其与耐药的相关性

[目的]研究临床多重耐药铜绿假单胞菌中Ⅰ型整合子的结构特征,探讨整合子与细菌多重耐药之间的相关性.[方法]收集临床样品中的铜绿假单胞菌,从中挑选多重耐药菌.采用聚合酶链式反应扩增Ⅰ型整合子可变区,应用酶切方法和DNA测序技术分析整合子基因结构,并采用SPSS19.0软件分析整合子与耐药表型间的相关性.[结果]多重耐药铜绿假单胞菌中Ⅰ型整合子的检出率为27.3％.Ⅰ型整合子基因盒排列形式共有3种(1500 bp、2300 bp和4000 bp),其中2种在其他细菌中也有发现.基因盒所编码的耐药基因有氨基糖苷类抗生素抗性基因(aadA、aadB、aac(6')Ⅱ和aadA13)、β-内酰胺类抗生素抗性基因(blaCARB8和oxa10)和氯霉素外排泵基因(cmlA8),耐药表型相关性分析表明整合子与氨基糖苷类抗生素抗性密切相关.[结论]在多重耐药铜绿假单胞菌临床分离株中发现了3种不同Ⅰ型整合子结构,这3种结构中均含有氨基糖苷类抗生素耐药基因,其中aadB-aac(6')Ⅱ-blaCARB8结构最为流行.     

Class I integrons containing a dhfrI trimethoprim resistance gene cassette in aquatic Acinetobacter spp

The presence of antibiotic resistance gene cassettes in class I integrons was investigated in 24 sulfamethoxazole-resistant and -sensitive Acinetobacter isolates derived from two Danish freshwater trout farms. Integrons were detected in five isolates from one of the fish farms, and their inserts were characterised by DNA sequencing. Each isolate contained a dhfrI gene cassette encoding resistance to trimethoprim and an open reading frame orfC of unknown function identical to the content of an integron previously found in a clinical enterobacterial isolate. Among the five isolates, at least two different strains were differentiated based on phenotypic tests and randomly amplified polymorphic DNA analysis. To our knowledge, this is the first report and characterisation of an integron in environmental bacteria.     

喹啉降解反应器菌群内整合子检测和菌株耐药性分析

运用PCR技术及克隆文库方法,对一个实验室规模的喹啉降解反应器生物膜系统中的整合子进行了分析。结果表明,在该反硝化喹啉降解反应器的生物膜群落中,整合子携带着丰富多样的基因盒。主要为编码与抗生素耐药性相关的基因盒,如氨基糖苷类耐药基因(aadA基因等),也带有与工业废水环境发现的整合子中可能与芳香族化合物降解有关的基因(如FldF基因)。还有一些功能未知的基因。鉴于耐药性相关基因的广泛存在,对该反应器中分离的优势菌株进行了耐药性分析。结果表明,44.1%的菌株存在耐药性,29.4%的菌株有多重耐药性。它们对4种抗生素的耐药率分别为:氨苄青霉素29.4%、卡那霉素23.5%、氯霉素20.6%、链霉素23.5%。不存在抗生素选择压力环境的微生物群落中分离的群落优势菌株普遍具有抗生素耐药性,而且群落基因组的整合子中携带多种抗生素抗性基因的基因盒。这一现象还未曾见报道,其成因值得进一步研究。     

Characterisation of two new gene cassettes, aadA5 and dfrA17

Escherichia coli INS33 was isolated from the urinary tract of an infected patient. It was resistant to ampicillin, chloramphenicol, spectinomycin, streptomycin, sulfafurazole, tetracycline and trimethoprim. PCR screening revealed the presence of a class 1 integron that harboured two new gene cassettes, designated dfrA17 and aadA5. The new dfrA17 cassette was 91% identical to the known dfrA7 cassette. The aadA5 cassette was 95% identical over the first 830 bp to aadA4, but lacked the IS26 element found at the 3' end of this truncated cassette. Cloning and expression of the cassette region demonstrated that dfrA17 conferred high level resistance to trimethoprim but aadA5 conferred resistance to spectinomycin but not to streptomycin.     

Novel Class 1 Integrons in Multi-drug Resistant Isolates from Eastern China

Integrons are mobile genetic elements able to capture, express and excise resistance genes, playing an important role in the spread of bacterial resistance. The present study was to investigate the occurrence and diversity of integrons in 120 clinical multi-drug resistant Gram-negative isolates from eastern China. Screening of integrons was performed by PCR and gene cassettes were further characterized by PCR–RFLP and sequencing. Class 1 integrons were detected in 70.8 % of isolates and no class 2 and class 3 integrons were detected in any isolates. A total of 19 resistant gene cassettes were identified, four representative of novel gene cassettes: an aacA3 variant (aacA3c), an aacA4 variant (aacA4′-17), a bla _OXA variant (bla _OXA-251 ), and a catB8 gene cassette interrupted by an insertion sequence IS10 (catB8::IS10). In addition, 14 cassette arrays were detected, including three novel integrons: gcuD1-aacA4′-17-gcu38B-catB8::IS10 (In712), aacA3c-aadA13-bla _OXA-251 (In713) and dfrA1-gcu37-aadA5 (In714). The presence of novel integron structures in clinical isolates suggests hospital environments may favor the formation of novel combination of gene cassettes. Moreover, the high prevalence of integrons in multi-drug resistant isolates highlights the urgent need to employ effective means to avoid dissemination of drug-resistant bacteria.     

新生儿病区产ESBLs大肠埃希菌整合子及其耐药性分析

目的 了解新生儿病区产ESBLs大肠埃希菌整合子的携带情况及其耐药性.方法 采用K-B琼脂扩散法对56株产ESBLs大肠埃希菌进行药敏试验;应用PCR法检测Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类整合子;以肠杆菌科重复序列-聚合酶链式反应(ERIC-PCR)进行基因分型.结果 56株产ESBLs大肠埃希菌的Ⅰ类整合子检出率为60.7％,未检出Ⅱ类和Ⅲ类整合子;菌株对庆大霉素、环丙沙星、左氧氟沙星、复方新诺明、头孢唑林、氨曲南、头孢他啶的耐药率差异有统计学意义(P＜0.05),阳性菌株的耐药率高于阴性菌株;56株大肠埃希菌分为45种基因型.结论 Ⅰ类整合子广泛存在于新生儿病区产ESBLs大肠埃希菌并与其耐药性相关.     

水产养殖环境耐药细菌中复合1型整合子的流行特征

【目的】了解复合1型整合子在水产养殖环境中的分布和流行特征。【方法】对108株分离自福建水产养殖场的耐药细菌,通过PCR和序列分析,检测其复合1型整合子上下游保守区和可变区的携带情况。【结果】有86株(79.6%)和47株(43.5%)分别携带1型整合子和ISCR1元件,这两种上下游保守区均携带的耐药细菌则有26株(24.1%),其中16株(14.8%)耐药细菌成功地扩增出上下游可变区,分布于8属9种。进一步对ISCR1上下游序列的拼接和分析,表明这16株细菌携带两种类型的复合1型整合子:(1)int I1-aac(6')-Ib-cr-arr-3-dfr A27-aad A16-qac E 1-sul1-ISCR1-sdr-qnr B6-qac E 1-sul1(15株);(2)int I1-aac(6')-Ib-cr-arr-3-dfr A27-aad A16-qac E 1-sul1-ISCR1-sap A-like-qnr B2-qac E 1(truncated)-sul1(1株,肺炎克雷伯菌C12),该阵列为新发现的复合1型整合子结构。【结论】复合1型整合子在水产养殖环境中并不少见,且存在于多种细菌中,但其基因阵列结构缺乏多样性。