整合子-基因盒的概念;结构;分类;移动

中国教育装备采购网2013-12-10 09:57围观219次我要分享

  整合子-基因盒的概念;结构;分类;移动

  整合子-基因盒的概念

  基因盒为附着在一个小的识别部位的一个耐药基因组成,数个基因盒可以被包装成一个多基因盒阵列,并依次被整合进入一个易于快速流动的较大的DNA单位,称为整合子。

  整合子-基因盒的结构

   整合子是一种遗传因素,包含一个能捕获外源基因的位点特异重组系统,这些被捕获的外源基因通常是耐药基因(如编码氨基糖苷类、β-内酰胺类、氯霉素、磺胺类等的基因)。这些耐药基因被包含在叫做基因盒的单一的移动单元。整合子由两个保守片段即5′端和3′端保守段组成,在5′端保守段包含有编码整合酶的Int基因、Int特异重组位点(attI)和负责基因转录的启动子P1(Pant)和P2,但P2 仅少见于少数整合子。Int位于整合子5′保守末端,属于酪氨酸整合酶家族,其编码的整合酶识别两个不同的重组整合位点,即位于整合子上的attⅠ位点和位于基因盒的59-be家族成员(attc位点)。整合酶负责催化attⅠ位点和一个59-be位点之间、两个59-be位点之间及两个attⅠ位点之间的重组,但两个attⅠ位点之间的重组效率比attⅠ位点和一个59-be位点之间的重组效率低。3′端保守段的结构则因整合子类型的不同而异。基因盒是单一的可移动的DNA分子,通常以环行独立的状态存在。只有当它被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。基因盒通常不含启动子,但一旦基因盒插入整合子,这个基因就能在5′端的共同启动子Pant作用下转录。基因盒是由一个ORF(通常是耐药基因)和一个反向不完全重复序列即59-be组成,59-be片段交换位点长度从50 bp ~150 bp不等。在反向重复序列的5′端有一个长7 bp反向核心位点RYYYAAC;在3′端有一个核心位点GTTRRRY(R为嘌呤,Y为嘧啶)。基因盒插入attⅠ位点导致基因盒下游的此级位点(attc)的形成。一个整合子可以捕获一个或多个基因盒,被捕获的基因盒5′端与attⅠ位点,3′端的59-be片段与attc位点发生特异重组。整合子-基因盒结构如图1。

  整合子-基因盒的分类

  目前已发现和鉴定的整合子有10种类型, 但只有5种是和编码抗生素耐药性的基因盒相关, 其 中Ⅰ类 ~Ⅲ类研究的较多,而且在耐药性传递方面起着重要作用。

  图1 整合子结构图

  Ⅰ类整合子是最常见的,其结构包括5′和3′CS和一个内部可变区(VR)编码抗生素耐药基因。对大多数Ⅰ型整合子,5′保守段均相似,包括intI和attI,然而3′- CS存在不同,包括3个开放阅读框(ORF);季铵盐化合物解放溴乙锭的耐药基因(quacE△1),磺胺耐药基因和一个未知功能的ORF5。 

  Ⅱ类整合子位于转座子Tn7及其衍生物上,其基因序列与Ⅰ类整合子非常相似,是缺陷的intI基因,其编码的整合酶与一类整合酶有46%的同源性。目前Ⅱ类整合子上的耐药基因有核苷转移酶基因aadA1a,甲氧胺嘧啶基因核链丝霉素基因(sat)。

  Ⅲ类整合子是在耐亚胺培南的黏质沙雷菌的耐药质粒上发现的,其整合酶编码320个氨基酸与整合酶Ⅰ有51%同源性。最近一种新型的Ⅲ类整合子被发现。这类整合子长2 863 bp,由intI 3整合酶基因、attI3重组位点、两个启动子合两个基因盒组成IntI3整合酶合黏质沙雷菌AK 9 373整合子种的整合酶有98.8%同源性。Bla-GES-1基因盒插入attI1位点,第二个基因盒是bla-OXA-10和aac(6′)Ib基因盒融合的结果,编码对卡那霉素的耐药性。

  Ⅳ类整合子是一类特殊的整合子,他是由Didier Mazel 等1997年从霍乱弧菌基因组中检测出来的,全长126 kb,包含至少179个基因,被称为超整合子。最近超整合子在不同的细菌种中被发现。超整合子基因编码蛋白的单一的适应功能,包括耐药性、毒力、新陈代谢活动等很好地解释了其为宿主适应性方面提供了很多好处。在微生物适应性方面的影响最惊人的体现是它快速广泛地出现在相似抗生素耐药性的描述。

  整合子-基因盒的移动

  整合子携带着重组的基因盒插入到转座子或接合质粒中,在不同的细菌中运动而传播耐药性。另外,整合子能捕获和切除基因盒,一个整合子可以捕获一个和多个基因盒,且同一个基因盒可以整合到不同的整合子上,从而导致基因盒的移动。

  整合酶识别两个重组位点:一个是存在于整合子上的attI位点,另一个是存在于基因盒上59-be家族(attc)位点。attI位点和59-be位点不同,59-be家族包含了许多不同长度不同序列的的位点,而不同类型的整合子的attI位点具有相同的序列,attI1、attI2、attI3被检测到仅仅只有一个潜在的单一位点。在59-be和attI位点发生重组时可形成3种不同形式的反应:attI×59-be, 59-be×59-be,attI×attI,这3种形式的反应都被IntI催化,但attI×attI反应的频率很低。 有关基因盒的整合以Ⅰ型整合子为例,如图2所示,游离的基因盒以闭环状结构存在,通过整合酶IntI1催化以线形结构结合于attI1和attc位点,其整合过程是可逆的。在整合线形基因被切下后,由于两端的特殊结构又回复到环状,并可整合到其他整合子上。并且多个基因盒可以整合到整合子中,多重插入导致整合子多重基因盒排列的形成。在染色体整合子中可以插入150多个基因盒。

  整合子-基因盒的表达

  JP2包含克隆整合子片段的质粒是不同的,其差异在于启动子的不同以及整合子基因盒系统中表达耐药性的基因盒的数量和顺序的不同。大多数基因盒不含启动子,检测所有转录产物发现有共同的启动子Pant。所有基因盒都顺着其编码区一个方向插入,从而保证它们以共同的启动子Pant表达。Pant是惟一的与大肠杆菌启动子具有很强相似性的区域。Pant序列的改变影响基因盒所表达的耐药性的水平。当Pant和P2 同时存在时,两个启动子的转录产物都可被检测到;当不止一个基因盒存在时,则基因盒的位置影响其表达的耐药性的水平,当基因位于第一个基因盒,靠近Pant时,耐药性表达水平最高。随着基因盒距离的增加,其表达水平逐渐下降。

  基因盒的整合

  抗生素耐药基因表达水平受许多因素影响,其中最明显的是转录和翻译的起始信号。耐药基因通常位于质粒上,同样的基因也可以在不同的质粒中发现,因此质粒的拷贝数也是一个因素。有研究表明,具有35-TTGACA序列和10TAAACT序列的Pant,其表达活性要低20倍。在一些自然的整合子中发现单独存在的Pant的弱形式,但在In2(Tn21),Pant和下游的次级启动子P2一起发挥作用,从而补充弱Pant的低活性,它们一起表达的链霉素抗性基因仅比强Pant低3倍。

 

来源:上海一基实业有限公司作者:上海一基实业有限公司

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