GIsul2基因组岛与耐药元件ISCR2协同转移机制及其在耐药传播中的作用

Antibiotic resistance poses serious threat to public health, and this necessitates the investigation of the origin, occurrence, evolution and mechanism of drug-resistance dissemination. Horizontal gene transfer (HGT) is the predominant mechanism that most pathogenic bacteria acquire drug resistance, especially for achieving multidrug resistance. Current knowledge demonstrates that the resistant genes are primarily transferred via mobile genetic elements, while detailed information about the formation, transfer and regulation of genomic islands and novel drug-resistant mobile elements are still insufficient. We have previously found that the genomic island GIsul2 facilitated the transfer of the mobile element ISCR2 carrying resistant genes. Co-transfer of plasmid was also detected. Dissecting the aforementioned mechanisms would not only clarify the complexity and diversity of HGT of resistant genes, but also can provide the clues of formation of multidrug resistance. This project will apply molecular and biochemical techniques, in vitro and in vivo to demonstrate the transfer mechanism of GIsul2, ISCR2 and plasmid. Furthermore, we will explore the roles of co-transfer of different elements in resistance dissemination. Our study will progress current understanding of the pattern, prediction and prophylaxis of drug-resistance prevalence and provide valuable information to clinical practices and the development of a comprehensive theoretical basis.

细菌耐药严重威胁人类健康，认识细菌耐药的发生，发展及传播机制，是控制细菌耐药的理论基础。水平基因转移是多数病原菌获得耐药特性，特别是多重耐药最重要的方式。耐药基因的水平转移主要是通过可移动遗传元件实现的，然而对基因岛以及新型耐药移动元件的形成、转移和调控机制的研究仍欠缺。我们前期发现了GIsul2基因岛可协助耐药元件ISCR2转移，并出现了质粒共转移的现象，对其机制的解析将有助于认识耐药基因水平转移的复杂性和多样性，以及多重耐药形成的机理。本项目计划利用分子和生化等技术手段，在体内和体外系统解析GIsul2基因岛、耐药元件ISCR2及质粒的转移机制；并通过分子和生物信息等技术手段阐明多元件协同转移在耐药传播的作用。我们的工作将为深入 理解水平转移介导的耐药传播规律、预测及防治耐药性播散提供科学理论基础。

水平基因转移是多数病原菌获得耐药特性，特别是多重耐药最重要的方式。耐药基因的水平转移主要是通过可移动遗传元件实现的，然而对基因岛以及新型耐药移动元件的形成、转移和调控机制的研究仍欠缺。在本项目中，我们发现了弗氏志贺菌的GIsul2基因组岛和ISCR2元件可以形成环状中间产物，提示这两个元件可以进行水平转移。进一步构建了双质粒系统，即含有GIsul2的供体质粒（温度敏感型）和含有attB的受体质粒（高拷贝），解析这两个元件的转移机制。在大肠杆菌内，存在三种转移方式，即GIsul2插入受体质粒、ISCR2插入受体质粒、供体质粒插入受体质粒，证实了GIsul2基因组岛和ISCR2元件都可以进行转移。通过对GIsul2基因组岛的关键基因的敲除分析，明确了GIsul2的整合酶Int介导GIsul2和ISCR2的移动，并且Int及其att识别位点是进行整合反应所必需的。进一步研究我们发现，位于基因组岛的AlpA-like能够促进GIsul2和ISCR2的移动，属于这两个移动元件的调控因子。GIsul2和ISCR2元件在γ-变形菌中分布较广，特别是在革兰氏阴性病原菌中广泛分布。ISCR2元件携带有多样化的耐药基因，很可能是导致病原菌多耐药性的重要元件。我们还在沙门氏菌中发现了Int的同源蛋白—Int2，可以介导其基因组岛的移动，也可以介导GIsul2和ISCR2的移动。因此，GIsul2整合酶及其同源蛋白很可能参与了多种基因组岛的移动，揭示整合酶参与耐药移动元件传播的重要性。我们的研究阐明了不同重要耐药元件可以通过整合酶的介导进行协同转移，为耐药元件的水平转移和传播提供了新的证据，为我们预测防治耐药性播散提供了科学基础。