細菌整合子功能的研究進展

陳亦琦 吳亮 仇錦波

【摘? 要】整合子在細菌基因組是一種功能強大的基因整合系統。整合子在細菌中存在時間悠久，可以賦予細菌表型的多樣性和對不同環境的適應性，在細菌抗生素抗性基因的獲取、表達和傳播中發揮了重要作用。本文綜述了整合子的功能和活性，以及細菌如何通過整合子從外界環境基因池中選擇特定基因以獲得對抗生素。

【關鍵詞】整合子;耐藥基因;功能

整合子是革蘭陰性菌重要的可遺傳元件，在細菌捕獲和表達外源基因過程中發揮重要作用，促進細菌耐藥性發展以及耐藥基因的廣泛^[1]。目前臨床分離菌株中廣泛存在整合子，開展整合子結構和功能研究對細菌耐藥性獲得機制以及遏制細菌耐藥性的快速發展具有重要意義^[2]。

1 細菌整合子結構

整合子由3個部分組成，包括：5-保守末端（5-conserved segment， 5-CS）、3-保守末端（3-conserved segment， 3-CS）和兩者之間的可變區（variable region）。 5-CS是整合子的基本結構，包括編碼整合酶基因（ingegrase， Int Ⅰ）、整合子重組位點att Ⅰ和整合子可變區啟動子（P_ant）。Int Ⅰ屬于酪氨酸整合酶家族，可以催化基因盒在整合子重組位點att Ⅰ和基因盒重組位點att C之間的整合和剪切^[3]。

2 整合子在細菌中廣泛存在

細菌整合子最早報道于霍亂弧菌，該整合子與目前大部分整合子并不相同，它位于霍亂弧菌染色體上，擁有數百個基因片段，并且這些基因片段編碼了眾多未知功能新蛋白^[4]。過去20年的研究表明，染色體整合子主要存在于環境分離細菌中，臨床分離細菌整合子主要存在基因組外質粒中，并且這種現象可能源自于人類長期使用抗生素帶來的選擇驅動效應^[5]。

通過對弧菌整合子的進一步研究發現，該整合子攜帶了豐富基因，占細菌整個基因組的0.7%～3.1%。上述整合子和攜帶基因可以通過垂直遺傳方式傳播。在弧菌數億年的進化過程中，伴隨著整合子大規模重新整合，并引入各種外源性基因。但并不是所有的細菌染色體整合子都攜帶大量基因片段，在海洋生物如聚球藻屬染色體中就很少發現整合子，因此自然環境中細菌整合子是否也活躍存在尚未完全明確^[6]。

3 細菌整合子基因盒

3.1細菌整合子基因盒多樣性

細菌整合子基因盒來源非常廣泛。宏基因組學研究發現，細菌可以從各種外界環境，包括各種土壤（沙漠土壤、森林土壤、極地土壤、河流沉積物、溫泉底泥等）、各種水體（海洋、河流、湖泊等），以及生物膜、植物表面和真核生物等，獲取外源基因并整合入自身整合子基因盒^[7]。

3.2基因盒功能

基因盒中各種基因細菌獲得遺傳變異信息的巨大寶庫。分析表明，基因盒中高達65%的基因片段及其編碼多肽是未知的，還有15%的基因編碼蛋白質與保守的假設蛋白具有同源性，僅有20%基因編碼蛋白是已知的。此外，細菌整合子基因盒中大量基因片段與細菌毒性和宿主相容性有關，包括脂肪酸合成、莢膜多糖、腸毒素、纖溶酶和甲硫氨酸還原酶等，這些基因與細菌的DNA合成修飾、多糖的生物合成、氨基酸合成、轉運體生成和外部轉運功能相關。整合子基因盒還含有與細菌耐藥相關基因，這些基因可以幫助細菌在強大的抗生素選擇性壓力下存活^[8]。

4 結論

整合子是抗生素耐藥性傳播的主要參與者，尤其是革蘭陰性細菌。基因借助整合子，實現功能DNA片段或質粒在不同種細菌之間，細菌與外界環境之間的轉移。目前臨床常見耐藥菌主要攜帶1類、2類和3類整合子，其中1類整合子最為常見。整合子的廣泛傳播是人類長期使用抗生素過程中所施加的強大選擇壓力而產生的趨同進化結果。了解整合子的結構功能，有利于對我們深入透徹地研究細菌耐藥機制，防范“超級細菌”的產生^[9]。

參考文獻

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課題資助：

本項目受江蘇大學大學生科研立項資助