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整合子在细菌生物膜耐药机制中的研究进展

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²260²
中华临床医师杂志(电子版)2016 年 1 月第 10 卷第 2 期 Chin J Clinicians(Electronic Edition),January 15,2016,Vol.10,No.2
²综述²
整合子在细菌生物膜耐药机制中的研究进展
唐夏 1,2 王凌峰 2
【摘要】
整合子在细菌生物膜耐药机制中有着重要作用。通过对整合子结构、功能及其参与
细菌生物膜耐药方面的研究文献分析总结,发现整合子是细菌耐药机制的重要原因之一,在细菌生
物膜耐药的发生、发展中起着重要作用。进一步研究细菌在生物膜状态和液相状态下整合子的表达
情况,对阐明整合子在细菌生物膜中的耐药机制、探寻可能的治疗靶点具有重要意义。
【关键词】
整合子类;
细菌生物膜;
耐药机制
Research progress of integron in bacteria biofilm resistance mechanism
Tang Xia1, Wang Lingfeng2.
1
Inner Mongolia Medical University (Grade 2013 at the Graduate School of Inner Mongolia Medical
University), Baotou 014010, China; 2Inner Mongolia Burn Research Institute, Department of Burn, the
Third Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Baotou 014010, China
Corresponding author: Wang Lingfeng, Email: [email protected]
【Abstract】
The integron palys an important role in bacteria biofilm resistance mechanism.
Analyzing and summarizing the literatures of integron structure and function and the involvement in
bacteria biofilm resistance mechanism find that integration is one of the important reasons of bacterial
resistance mechanisms, there is an important role in the occurrence and development of bacteria biofilm
drug resistance. Further study of the integron expression in biofilm state and liquid state of bacteria has
important significance to elucidate the drug resistance mechanism of integron in bacteria biofilm and the
possible therapeutic targets.
【Key words】
Integrons;
Bacteria biofilm;
Drug resistance mechanism

细菌生物膜(bacterial biofilm)是细菌附着在
有生命或无生命的材料表面后,细菌及其所分泌的
胞外多聚物共同组成的呈膜状的细菌群体。生物膜
形成后,细菌对抗生素抵抗能力明显增强[1],使得
临床耐药更加严重[2]。多重耐药、泛耐药甚至全耐
药细菌的出现,给医院感染控制和临床治疗带来了
极大的困难[3]。细菌生物膜耐药机制并未完全阐明,
目前认为细菌生物膜耐药机制主要为以下几种:
(1)生物膜内耐药基因的水平转移:主要依附于
整合子(integron)、转座子、接合性质粒、插入序
列共同区(ISCR)等一些可移动的基因元件;
(2)
生物膜渗透屏障作用;
(3)生物膜内部生存环境改
变;
(4)生物膜传感效应[4]。整合子在细菌生物膜
耐药机制中扮演着重要角色,近年来随着研究的不
断深入,整合子在细菌耐药机制中的作用受到越来
DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-0785.2016.02.024
作者单位:014010 包头,内蒙古医科大学(内蒙古医科大学 2013
级在读研究生)1;014010 包头,内蒙古烧伤研究所 内蒙古医科大学
第三附属医院烧伤科 2
通讯作者:王凌峰,Email: [email protected]
越多的关注,但国内外对整合子在细菌生物膜中的
耐药机制研究甚少。本文通过回顾总结整合子在细
菌生物膜中耐药机制的研究进展作一综述。
一、整合子的分类研究进展
1989 年,Stokes 和 Hall 发现了整合子,并提出
整合子的概念[5]。它是一种重要的耐药基因捕获及
传播元件[6],定位于染色体、质粒或转座子上。整
合子可以分为抗性整合子(the resistane integrons)
和超级整合子(the super integrons)两大类,其中
抗性整合子又可根据其整合酶 intI 序列的同源性差别
而分成 6 种不同的类型。
它们可位于染色体或质粒上,
多携带与抗生素和消毒剂抗性有关的基因盒[7-8]。Ⅰ、
Ⅱ、Ⅲ类整合子已证实与细菌耐药性相关[9-10],临
床研究较多,尤其是Ⅰ类整合子,在大部分革兰阴
性菌中广泛存在[11],Nandi 等[12]研究发现Ⅰ类整合
子也在革兰阳性菌中存在。它主要介导细菌包括大
肠埃希菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不
动杆菌等对氨基糖苷类、P-内酰胺类、氯霉素等抗
菌药物的耐药性[13-14]。Ⅱ类整合子少见,但也有报道
称在拉美国家个别地区分布较多[15-16]。超级整合子位
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于染色体上,携带的基因盒数量较多且功能多样,大
部分基因盒功能不明[17],目前仅发现少数几个与抗生
素抗性有关以及与代谢和毒素有关的基因盒。
二、整合子的结构研究进展
整合子包括5'保守区(5'conserved segment,
5'CS )、 可 变 区 ( variable region ) 和 3' 保 守 区
(3'conserved segment,3'CS)三个基本结构。
5'CS由编码整合酶的整合酶基因intI、整合子重
组位点aatI和整合子可变区启动子Pint三部分组成;
整合酶(intI)可以通过剪切可变区的基因盒而形成
游离的环状DNA,并传播到其他细菌中,游离的环
状基因盒也可以被整合酶催化成线性结构,使之可
以与整合子的特异性重组位点结合。在整合酶的上
游即是整合子重组位点attI,它是整合酶催化剪切基
因盒的作用位点,整合子与外源性基因盒的特异性
结合即发生在此。启动子通过诱导其下游可变区内
耐药基因盒而使细菌获得耐药性,分为P1和P2两
种,大多数整合子含有启动子P1,少部分为P2。
可变区位于启动子Pint的下游,它是一个或多
个编码不同的耐药基因盒串联而成的基因序列,耐
药性即可以通过整合酶对其进行剪切从而在新的
菌株中整合而得到传播。基因盒包括一个耐药基因
和一个位于其下游的回文序列aatC,目前已经发现
的基因盒多达130种[18],在不同的地区其种类和分
布存在差异[19]。常见的有以下几种:
(1)编码对氨
基糖苷类抗生素耐药性的基因盒aad、aac,如aadA1、
aadA2、aacA4基因;
(2)编码对甲氧磺胺嘧啶类的
耐药性的dfr基因盒;
(3)编码P-内酰胺酶和超广谱
P-内酰胺酶的基因盒;
(4)编码对氯霉素耐药性的
基因盒如cat、cml基因等[20-21]。研究表明,大多数
目前正在使用的抗菌药物都可以在整合子中找到
相关的耐药基因盒[22]。aatC含有可被整合酶识别的
特异性重组位点,从而在整合酶的催化下耐药基因
盒以线性结构和整合子5'CS重组位点attI在特异性
重组位点结合,这样耐药基因盒即被精确地插入到
整合子中[23],使得耐药基因在整合子中不断地积累
并且广泛传播。
3'CS根据整合子种类的不同而不同。例如I类整
合 子 3'CS 由 季 铵 盐 化 合 物 溴 乙 啶 耐 药 基 因
(qaeEAI)
、磺胺耐药基因(sulI)和功能尚不清楚的
开放阅读框架(open reading frames,ORFs)组成。
三、整合子的生物学功能研究进展
基因盒-整合子系统在耐药基因的获得与传播
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中有扮演着重要的角色,它能通过捕获和整合细菌
中的耐药基因,导致耐药菌群的种类和数量迅速地
增加。近年来,在越来越多的细菌中发现这一表达
系统。整合子通过介导整合子及整合子相关基因盒
的移动来完成耐药基因的移动。整合子的移动是指
携带耐药基因盒的整合子插入到转座子或接合性
质粒中,从而在细菌间进行转移而使耐药性得到传
播。整合子耐药基因盒的移动包括两种方式,一种
是通过转化、转导的方式使得游离存在的环状抗性
基因盒在细菌间水平转移,另一种则是通过整合酶
的识别和剪切使得游离的基因盒被整合到新的整
合子上,然后借助于整合子上的重组位点进行位点
特异性重组,完成基因盒在整合子之间的移动。临
床上新药的使用周期缩短,就有可能是由于细菌产
生新的抗性基因,这种新的耐药基因被整合子捕
获,并且在细菌间迅速、广泛地播散,从而形成对
新抗生素的普遍抗性所致。
据报道,在临床抗生素耐药菌株中整合子的携
带率为59%~75%[24],整合子因介导耐药基因高效
快速转移及引起细菌多重耐药已经成为研究热点,
并且有可能为防治临床耐药提供新的靶点。随着基
因组学的研究进展,有学者们发现细菌对抗菌药物
的敏感性可随着耐药基因的破坏而恢复。所以,通
过对基因盒-整合子系统的进一步深入研究将能使
细菌耐药的形成及传播机制得到更加深刻地理解,
并为感染性疾病的治疗和控制提供新的途径。目前
国内分离的多重耐药菌主要耐药模式、多重耐药菌
的整合子分布与耐药相关性、整合子基因盒中携带
的具体的耐药基因,都有待进一步的研究。
四、整合子与细菌生物膜的关系研究进展
近年来,由于现代技术的发展,植入和介入性
操作逐渐增多,导致生物膜相关感染明显增多。根
据美国 CDC 的统计,65%的人类细菌性感染都与生
物膜形成有关[25],并且生物膜相关感染临床上治疗
较为困难[26]。生物膜是指细菌依附于固液相界面生
长的特殊状态,细菌聚集生长并自身分泌出多糖基
质包裹形成。与普通的生长状态相比,细菌的生长
速度、代谢,以及许多方面的指标都有所不同。有
研究表明,细菌在生物膜中与在浮游状态中基因表
达大约有 1%的差异[27]。有研究即观察到生物膜菌
比液相浮游菌中质粒的传递效率高出许多[28]。
细菌以生物膜状态的方式存在,使得细菌耐药
性得到保护。当细菌形成生物膜时,则为菌体提供
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了一个相互接触更为紧密的环境,细菌的群体密度
增加,导致菌体间质粒的接合、转导等频率也随之
提高,这便为菌体间耐药基因的捕获和重组提供了
有利的条件,新的细菌遗传物质和耐药性便更容易
获得。这也说明群体感应系统在细菌在生物膜发挥
着重要作用,当细菌密度达到一定程度时,细菌自
身产生信号,信号分子在基因中进行交流,从而在
一定程度上调整基因的表达,协调菌群的行为。生
物膜中菌体间的这种特殊空间位置关系有利于提
高细菌整体遗传抗性以及细菌见耐药基因的扩散。
有研究表明鲍曼不动杆菌Ⅰ类整合酶基因在生物
膜状态下的表达约为浮游状态的 4 倍,肺炎克雷伯
菌Ⅰ类整合酶基因在生物膜状态下的表达约为浮游
状态的 3 倍,铜绿假单胞菌在生物膜、膜脱落、液相
浮游三种状态下,Ⅰ类整合酶基因在生物膜状态下的
表达约为浮游状态的 15 倍,为膜脱落菌的 4 倍[29-30],
可以看出随着菌体从生物膜上脱落,到长期在液相
中以单个菌体形式生长,整合酶基因的表达逐渐下
调。提示生物膜中菌体间整合酶介导的基因捕获和
重组可能更加活跃,因为菌体间彼此密切接触,所
以它们之间质粒的接合频率以及噬菌体的转录数
量都会有所提高。由此细菌耐药基因的扩散及多药
耐药性的形成与不同整合子之间、整合子与细菌基
因组之间、整合子与环境之间发生活跃的基因交换
有重要的关系。
五、前景及展望
细菌生物膜耐药的发生由多种原因引起,机制
错综复杂,涉及内部、外部环境,分子和基因水平
等多个层面,它们之间彼此关联,互相作用,相互
影响。整合子是细菌生物膜耐药的重要因素,在细
菌生物膜耐药的发生、发展中起着重要作用。因此
对于细菌生物膜形成的遗传物质学基础、生理生化
特点以及调控机制,整合子-基因盒系统,细菌整合
子在生物膜状态下作用机制等的进一步研究,可以
帮助我们更好地了解细菌耐药性相关机制,并且指
导临床抗生素的合理应用,同时也有益于研发新的
临床药物。虽然整合子在生物膜中的表达作为一个
新的研究方向已经受到越来越多人的重视,然而国
内外对整合子在细菌生物膜中耐药机制的研究甚
少。关于整合子与细菌耐药的相关性,整合酶基因
在生物膜中形成的不同阶段以及不同空间位置的
表达差异,整合子在细菌生物膜中的作用机制,仍
有待进一步研究。
参
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考
文
献
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