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葡萄球菌属中互换基因的载体SCCmec
葡萄球菌属中互换基因的载体——SCCmec
【摘要】MRSA活着界范围内普遍蔓延,是医院感染最多见的病原菌之一。
一种具有移动能力的新型基因元件SCCmec携带mecA基因,并通过位点特异性重组作用整合到葡萄球菌属的染色体上,使金葡菌携带上mecA基因,产生对β-内酰胺类抗生素的耐药作用。
SCCmec共分为5种类型和多种亚型,不同类型的SCCmec其基因构件也不同,适应不同环境。
I、II和III型SCCmec携带多个耐药基因,其多重耐药的表型适合于医院环境;IV和V型SCCmec一样比较轻便,该类MRSA能取得较快的生长速度,适合于社区环境。
在国际上,不同地域或不同环境流行的MRSA有多种类型,能够分为5大组(CC五、CC八、CC2二、CC30和CC45)。
不同的MRSA流行株是通过取得不同类型的SCCmec,通过不同途径进化而来的。
【关键词】MRSA;SCCmec;ccr复合物;mec复合物
ABSTRACTMRSAhasbeenspreadinternationally,andisthemostcommonandprevalentpathogeninnosocomialinfection.SCCmec,anovelmobileDNAelement,isabletobeintegratedintothechromosomeofthroughsitespecificrecombination,makingcarrymecAmediatingresistancetoβ-lactamantibiotics.Thereare5typesandmanysubtypesofSCCmecs,anddifferenttypesofSCCmecsadapttodifferentenvironmentwiththeirdifferentgeneticstructure.Generally,typeI,IIandIIISCCmecscarrymanyresistancegenes,makingthemsurviveunderantibioticpressureinhospital;ontheotherhand,typeIVandVSCCmecsaremuchsmallerandhaveafastergrowthrate,makingthemmoreinclinedtoexistincommunity.Internationally,prevalentMRSAcanbedividedinto5clonalcomplex(CC5,CC8,CC22,CC30andCC45).Differentprevalentepidemic-MRSAacquiredifferenttypesofSCCmecs,andevolvefromdifferentdirections.
KEYWORDSMRSA;SCCmec;ccrcomplex;meccomplex
1导论
1960年半合成青霉素甲氧西林被第一次应用于临床,仅仅一年以后,英国就发觉了首例耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistanceStaphylococcusaureus,MRSA),以后MRSA以惊人的速度活着界范围内蔓延,成为医院内最多见的病原菌之一,与乙型肝炎、艾滋病同为现今世界三大感染恶疾[1]。
20世纪90年代开始,社区感染MRSA的现象与报导日趋增多,这种MRSA常常在没有医院经历和院内感染可能的健康人群(多数为小孩)分离取得,而且呈日趋增加的趋势[2]。
MRSA之因此表现对β-内酰胺类抗生素耐药缘故在于MRSA携带了mecA基因,mecA基因编码一种新型的青霉素结合蛋白(PBP2a),与金葡菌内源性的青霉素结合蛋白相较,PBP2a对青霉素类抗生素的亲和力很低,因此青霉素类抗生素无法结归并作用于PBP2a。
除去其它抑制β-内酰胺类抗生素作用的机制,MRSA仅通过PBP2a便能持续合成细胞壁,从而使MRSA表现对β-内酰胺类抗生素耐药[3]。
1987年,对日本分离的MRSA菌株mecA进行克隆并测序[4];后续的研究发觉,mecA基因不但普遍散布于金葡菌中,而且在凝固酶阴性葡萄球菌中也能发觉该基因的存在[5,6]。
使甲氧西林灵敏金葡菌(methicillin-susceptibleStaphylococcusaureus,MSSA)转变成MRSA是由于一种具有移动能力的新型基因元件SCCmec(sta-phylococcalcassettechromosomemec,SCCmec)上携带mecA基因,通过位点特异性重组酶CcrA和CcrB精准的切除和整合作用,将SCCmec整合到葡萄球菌属的染色体上,使其携带上mecA基因,取得对β-内酰胺类抗生素的耐药作用。
本文将就SCCmec的结构、散布、起源及它对基因进化产生的阻碍等几个方面的研究进展进行讨论。
2SCCmec的结构
SCCmec是SCC家族中最大且最重要的一员[7],是一种携带mecA基因的新型移动基因元件,能作为载体在葡萄球菌属中互换基因信息。
SCCmec在未知功能的开放阅读框orfX3′端的插入位点attB处插入,位于金葡菌染色体复制位点的周围。
SCCmec携带三个大体的基因元件:
①ccr复合物(ccrgenecomplex),包括编码位点特异性重组酶基因ccrA和ccrB,和在其周围的一些开放阅读框(ORFs);②mec复合物(mecgenecomplex),包括mecA及其调控基因,和在其上下游的一些插入序列;③位于SCCmec边界的一些正向或反向重复序列,和插入位点attB与attSCC,为重组酶识别并进行精准的切除和整合作用所必需;另外,在ccr复合物和mec复合物之外的部份为可变区域,称为J区域(junkyardregion),不同型的SCCmec依照J区域分为不同的亚型。
ccr复合物
ccr复合物包括两个位点特异性重组酶基因ccrA和ccrB,和在其周围的一些开放阅读框(ORFs)。
其中位点特异性重组酶CcrA和CcrB通过位点特异性重组作用,能够使多种耐抗生素和耐重金属基因嵌入到SCCmec中;同时不同类型的重组酶CcrA和CcrB识别相应的SCCmec,通过精准的切除和整合作用,使SCCmec整合到葡萄球菌属的染色体上,使不同的葡萄球菌能互换基因信息,适应不同环境和抗生素选择压力。
依照ccrA和ccrB基因的不同,ccr复合物分成5型:
1型(type1)携带ccrA1和ccrB1基因,2型(type2)携带ccrA2和ccrB2基因,3型(type3)携带ccrA3和ccrB3基因,4型(type4)携带ccrA4和ccrB4基因,5型(type5)携带ccrA5和ccrB5基因。
mec复合物
mec复合物依照mecA基因上下游的调控基因和插入序列的不同分为4类:
A类(classA)携带完整的mecI-mecR1-mecA-IS431结构,B类(classB)携带缺失而同时有插入序列整合的IS1272-△mecR1-mecA-IS431结构,C类(classC)携带两个拷贝的IS431插入序列IS431-mecA-△mecR1-IS431结构,D类(classD)那么携带IS431-mecA-△mecR1结构。
其中携带B类mec复合物的MRSA称之为前MRSA,由于其携带完整的mecI基因,对mecA基因的表达起强烈抑制作用,因此该类SCCmec通常表现对β-内酰胺类抗生素低水平耐药[8]。
J区域
J区域依照在SCCmec中的位置分为J一、J2和J3区域,J1位于ccr复合物上游,也称为L-C区域,包括多个开放阅读框和调控子,如pls和kdp调控子;J2位于ccr复合物下游和mec复合物上游,也称为C-M区域,包括完整或缺失的转座子Tn554(编码对红霉素耐药)等基因元件,部份SCCmec缺失J2区域(如IV型SCCmec);J3那么位于mec复合物下游,也称为M-R区域,包括质粒pT181(编码对四环素耐药),pUB110(编码对氨基糖苷类抗菌药物耐药),转座子Tn4001,插入序列IS1182等基因元件。
3SCCmec的类型
SCCmec依照发觉时刻的前后,分为I、II、III、IV和V五种类型和多种亚型,但Piriyaporn等学者最近提出,SCCmec的分型应该有一个加倍标准的标准,依照他们提出的协议[7],SCCmec应该依照ccr复合物和mec复合物类型的不同组合进行分型,其中,ccr复合物用数字表示其类型,mec复合物那么用字母表示其类型;对同一型的SCCmec,再据根其J区域分为不同的亚型,别离用两个数字表示J1区域和J二、J3区域的不同,两个数字之间和与字母之间用点隔开,下面详细说明。
I型SCCmec
I型SCCmec携带1型ccr复合物和B类mec复合物,在J1区域携带pls调控子,大小为34kb,其代表菌株为NCTC10442,是1961年第一株临床分离取得的MRSA菌株[9]。
I型SCCmec包括一个亚型IA,在J3区域携带质粒pUB110[10],依照新协议,I型SCCmec表示为,IA亚型为。
II型SCCmec
StructureofthetypeISCCmec
II型SCCmec(IIa)携带2型ccr复合物和A类mec复合物,在J1区域携带kdp调控子,J3区域携带质粒pUB110,大小为53kb,其代表菌株为N315,是1982年在日本分离的前MRSA菌株[11]。
II型SCCmec依照J1和J3区域的不同有多个亚型和变型,其中亚型IIb带有特异的J1区域[11],IIA、IIB、IIC、IID和IIE均带有与IVb型SCCmec一样的J1区域,而带有不同的J3区域,IIA在J3区域携带质粒pUB110与插入序列IS1182,IIB仅携带质粒pUB110,IIC携带质粒pUB110与缺失的插入序列IS1182,IID仅携带插入序列IS1182,IIE仅携带缺失的插入序列IS1182[12];另外II型SCCmec还有一变型,其J1区域携带kdp调控子,J3区域不携带质粒pUB110[13]。
依照新协议,II型SCCmec(IIa)表示为,IIb为,IIA,IIB、IIC、IID和IIE别离为、、、和,II型SCCmec的变型为。
III型SCCmec
III型SCCmec携带3型ccr复合物和A类mec复合物,在J3区域携带质粒pT181,大小为67kb,尽管III型SCCmec的J1区域相对较小,但由于携带多个耐药基因,因此在各类SCCmec中是最大的,其代表菌株是85/2082[9]。
III型SCCmec依照J3区域的不同有几个亚型,其中IIIA在J3区域不携带质粒pT181和ips基因,IIIB在J3区域不携带质粒pT181[10]。
依照新协议,III型SCCmec表示为,IIIA为,IIIB为。
IV型SCCmec
IV型SCCmec携带2型ccr复合物和B类mec复合物,在J3区域携带转座子Tn4001,大小为21~25kb,是各类SCCmec中最小的。
IV型SCCmec的亚型最多,要紧的几种亚型IVa、IVb、IVc
StructureofthetypeIISCCmec
StructureofthetypeIIISCCmec
StructureofthetypeIVSCCmec
和IVd型别离带有特异的J1区域,其代表菌株别离为CA05,8/6-3P[14],81/108[15]与JCSC4469[2];另外还包括亚型IVE,J1区域与IVc相同,但带有特异的J3区域[12];IVF,J1区域与IVb相同,但带有特异的J3区域[12];IVAb,J3区域携带质粒pUB110[13]。
依照新协议,IVa,IVb,IVc与IVd别离表示为,,与,IVE为,IVF为,IVAb为。
V型SCCmec
V型SCCmec携带5型ccr复合物和C类mec复合物,大小为27kb,其结构上与IV型SCCmec十分相似,不同的地方在于其携带一个完整的由hsdR、hsdS和hsdM基因组成的第一类限制修饰系统(restriction-modificationsystem),其代表菌株为WIS[8],临时没有相关亚型的报导。
依照新协议,V型SCCmec表示为。
其它类型SCCmec
2001年,Oliveira等在pediatric菌株中报导携带4型ccr复合物和B类mec复合物的SCCmec[10],其代表菌株HDE288为依照传统的分类方式,该SCCmec
StructureofthetypeVSCCmec
应该被归为VI型,但依照新协议那么应表示为4B。
4SCCmec的散布
I、II和III型SCCmec存在于医院取得MRSA(hospitalaquiredMRSA,H-MRSA)中,其SCCmec元件,携带多个耐药基因;IV和V型SCCmec那么存在于社区取得MRSA(communityaquiredMRSA,C-MRSA)中,前者一样携带较大的SCCmec元件,并带有多个耐药基因,后者的SCCmec元件一样小而轻便(21~28kb),除mecA基因外不携带耐药基因,因此不表现为多重耐药,而且常伴有多种毒力基因,如PVL基因等[14]。
带有多个耐抗生素和重金属基因的II型和III型SCCmec加倍适合医院环境里的抗生素选择压力;但在社区里,选择压力使菌株偏向于向具有更高的生长率和更易于在人体内繁衍的方向进化,轻便的IV、V型SCCmec相较之下显得加倍适应。
不同类型的SCCmec不仅散布于不同环境,而且活着界不同地域的流行MRSA(EMRSA)菌株携带的SCCmec类型也是不同的。
其中,在波兰、斯洛文尼亚和英国流行的EMRSA3株,在德国、丹麦、瑞士和英国流行的最先发觉的MRSA株,在德国和斯洛文尼亚流行的南德国MRSA株和在比利时、芬兰、法国、德国、葡萄牙、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、英国和美国流行的EMRSA5株、EMRSA17株等携带I型SCCmec[16];在芬兰、爱尔兰、日本和美国流行的NewYork/Japan株,在芬兰和英国流行的EMRSA16株,在爱尔兰、英国和美国流行的Irish-1株等携带II型SCCmec[3,11];在比利时流行的MRSA株,在英国流行的EMRSA7株,在芬兰、德国、希腊、爱尔兰、荷兰、波兰、葡萄牙、斯洛文尼亚、瑞典、英国和美国流行的EMRSA1株、EMRSA4株、EMRSA11株和Vienna株等携带III型SCCmec[16];在法国、葡萄牙、英国和美国流行的Pediatric株,在芬兰、法国、德国、爱尔兰、荷兰、英国和美国流行的EMRSA2株和EMRSA6株,在德国、爱尔兰、瑞典和英国流行的EMRSA15株,在比利时、芬兰、德国和瑞典流行的Berlin株,在德国和英国流行的EMRSA10株等携带IV型SCCmec[16];在澳大利亚流行的MRSA株携带V型SCCmec[17]。
在亚洲,中国、印度、泰国、沙特阿拉伯、新加坡和越南等大多数国家分离的MRSA株携带III型SCCmec,而仅在日本和韩国分离的MRSA株那么携带II型SCCmec[7]。
SCC与SCCmec不仅存在于MRSA中,也普遍存在于凝固酶阴性葡萄球菌(methicillin-resistantcoagulase-negativestaphylococci,MRC-NS)和各类葡萄球菌中。
2001年,Katayama等在溶血葡萄球菌GIFU12263中发觉不携带mecA基因的SCC12263[18];2003年,Katayama等对91株MRC-NS进行检测,结果显示42株携带A类mec复合物,为II型或III型SCCmec;16株携带B类mec复合物,为I型SCCmec[19];同年,Hisata等通过对从日本健康小儿分离取得的MRC-NS进行研究发觉,MRC-NS普遍散布于社区,绝大多数携带IV型SCCmec[2];2004年,Ito等报导约30株溶血葡萄球菌携带V型SCCmec[8]。
5SCCmec的进化
国际上流行的MRSA菌株,依照其不同的起源及进化线路能够分为5个克隆复合组(clonalcomplex,CC):
CC五、CC八、CC2二、CC30和CC45。
Enright等通过对大量MRSA菌株的7个sas基因进行测序,并综合多位点序列分型(MLST)的结果,提出了MRSA的进化线路如下[20]:
在CC5中,起源菌株ST5-MSSA通过取得IV型SCCmec进化为在葡萄牙流行的ST5-MRSA-IV;ST5-MSSA通过取得II型SCCmec进化为日本和美国流行的NewYork/Japan株(ST5-MRSA-II);ST5-MSSA通过取得I型SCCmec进化为EMRSA3(ST5-MRSA-I)和南德国流行株(ST228-MRSA-I)。
在CC8中,起源菌株ST8-MSSA通过取得III型SCCmec进化为EMRSA1,4,7,11(ST239-MRSA-III),EMRSA9(ST240-MRSA-III);ST8-MSSA通过取得I型SCCmec进化为EMRSA8(ST250-MRSA-I)和EMRSA5(ST247-MRSA-I);ST8-MSSA通过取得IV型SCCmec进化为EMRSA2,6(ST8-MRSA-IV)和EMRSA10(ST254-MRSA-IV)。
在CC22中,起源菌株ST22-MSSA通过取得IV型SCCmec进化为柏林流行株和EMRSA15(ST22-MRSA-IV)。
在CC30中,起源菌株ST30-MSSA通过取得II型SCCmec进化为在英国和芬兰等地流行的EMRSA16(ST36-MRSA-II)。
在CC45中,起源菌株ST45-MSSA通过取得IV型SCCmec进化为在德国流行的柏林株(ST45-MRSA-IV)。
总的来讲,各类MRSA都是由MSSA通过重组酶CcrA和CcrB的位点特异性重组作用,在开放阅读框orfX的3′端插入不同类型的SCCmec,从而进化为不同的MRSA流行菌株。
SCCmec是一种仅存在于葡萄球菌属的基因岛,是SCC家族中唯一携带β-内酰胺类抗生素耐药基因mecA的新型移动基因元件。
SCCmec通过重组酶CcrA和CcrB的位点特异性重组作用,能够使多种耐药和耐重金属基因嵌入到SCCmec中;同时不同类型的重组酶CcrA和CcrB催化相应的SCCmec进行精准的切除和整合作用,从而使其能在不同的葡萄球菌属中互换基因信息。
金葡菌正是通过这种捕捉外源基因和菌属间互换基因信息的方方式迅速适应周围转变的环境和抗生素选择压力。
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