甲氧西林耐藥金黃色葡萄球菌SCCmec耐藥元件及其菌株間水平轉(zhuǎn)移機(jī)制

于俊媛， 張雯慶， 祁 琳， 李 萌， 黎 庶

·綜述·

甲氧西林耐藥金黃色葡萄球菌SCCmec耐藥元件及其菌株間水平轉(zhuǎn)移機(jī)制

于俊媛， 張雯慶*， 祁 琳*， 李 萌**， 黎 庶

葡萄球菌盒式染色體元件； 金黃色葡萄球菌盒式染色體重組酶； 耐甲氧西林金黃色葡萄球菌； 基因水平轉(zhuǎn)移

金黃色葡萄球菌（金葡菌）是人及動物正常菌群的重要組成成分。部分金葡菌可導(dǎo)致疾病，引起皮膚、黏膜等處的化膿性感染，甚至導(dǎo)致菌血癥、中毒性休克綜合征等危及患者生命的嚴(yán)重疾病，是醫(yī)院感染和社區(qū)獲得性感染的重要病原菌之一。自1961年出現(xiàn)以來，耐甲氧西林金葡菌（MRSA）的感染率逐年攀升［1］。據(jù)估計(jì)，2005年美國因MRSA感染死亡的住院患者總數(shù)已超過同年因肝炎和艾滋病（AIDS）死亡的人數(shù)之和［2］；在我國，2012年醫(yī)院細(xì)菌耐藥監(jiān)測資料顯示金葡菌分離株中MRSA的平均檢出率為47.9%［3］。MRSA感染已經(jīng)成為嚴(yán)重的全球性公共衛(wèi)生問題。

MRSA的出現(xiàn)源于基因組上一個(gè)可移動遺傳元件——葡萄球菌盒式染色體元件（staphylococcal cassette chromosome，SCC）的獲得，菌株也因此獲得針對包括甲氧西林在內(nèi)的多種抗菌藥物的耐受能力［4］。SCC元件可在不同MRSA菌株之間水平轉(zhuǎn)移，進(jìn)而導(dǎo)致金葡菌耐藥性的傳遞與播散。金葡菌盒式染色體重組酶（cassette chromosome recombinase，Ccr）則在此轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著重要作用。本文即針對MRSA SCC元件及其由Ccr介導(dǎo)的菌株間轉(zhuǎn)移作一綜述。

1 SCCmec元件的結(jié)構(gòu)

MRSA SCC元件整合于MRSA菌株基因組復(fù)制起始點(diǎn)附近，全長約21～67 kb，由mec復(fù)合體區(qū)域、ccr復(fù)合體區(qū)域以及非mec非ccr高變區(qū)域（junkyard regions，J區(qū)）3部分組成，與編碼金葡菌堿基轉(zhuǎn)移酶的orf X基因3'-末端存在15 bp的重合（圖1）［4-5］。

mec復(fù)合體區(qū)域由mecA基因、mecA表達(dá)調(diào)控基因（包括調(diào)節(jié)基因mecR1和抑制基因mecI）及位于其上下游的一些插入序列（如IS431、IS1272等）組成。mecA基因編碼一種新型的青霉素結(jié)合蛋白PBP2a（PBP2'），PBP2a與甲氧西林的親合力低于內(nèi)源性青霉素結(jié)合蛋白PBP2，能替代被甲氧西林抑制的PBP2蛋白行使轉(zhuǎn)肽酶及轉(zhuǎn)糖基酶活性，維持細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，干擾甲氧西林抗菌作用的發(fā)揮，使細(xì)菌獲得針對β內(nèi)酰胺類抗生素的耐藥性，故SCC元件也稱為SCCmec元件［6］。mecI和mecR1共同調(diào)控mecA基因的表達(dá)，但對臨床分離的絕大多數(shù)MRSA而言，mecI基因常常缺失或突變，mecR1也呈現(xiàn)出不同程度的殘缺和不完整［4］。根據(jù)mecA基因調(diào)控元件的完整性及插入序列的不同，mec復(fù)合物可分為A～E 5類，見表1［7］。

圖1 SCC mec元件的基本結(jié)構(gòu)（引自文獻(xiàn)4）

表1 mec復(fù)合物分類

ccr復(fù)合體區(qū)域由ccr基因及包繞其左右的序列組成。ccr基因編碼的位點(diǎn)及方向特異性重組酶（即Ccr），屬于絲氨酸重組酶家族，參與SCCmec元件從MRSA供體菌基因組上精確切離過程并能介導(dǎo)游離SCCmec元件以正確的方向整合入受體菌基因組中，在SCCmec元件的水平轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)堿基序列同源性，Ccr編碼基因可分為ccrA、ccrB和ccrC3類［7-8］。其中，ccrA和ccrB基因位于同一個(gè)基因操縱子中，常以異源二聚體的形式存在。ccrAB基因可進(jìn)一步分為4個(gè)亞型（ccrA1B1～ccrA4B4），各亞型之間堿基同源性在50%～85%。而ccrC基因的堿基組成則較為保守，同源性大于 87%，故目前僅劃定一種類型，即ccrC1［8］。

J區(qū)是指SCCmec元件上除了mec和ccr復(fù)合體外的區(qū)域，是SCCmec元件的非必需組分，包含大量的假基因及轉(zhuǎn)座、插入序列，是SCCmec元件劃分亞型的依據(jù)。J區(qū)中攜帶著多種抗生素耐藥決定簇（如Tn554攜帶介導(dǎo)紅霉素、鏈霉素耐藥的基因；PUB110帶有博來霉素、妥布霉素耐藥基因；Tn4001轉(zhuǎn)座子中aacA-aph D基因介導(dǎo)氨基糖苷類抗生素耐藥；而PT181則與四環(huán)素耐藥密切相關(guān)等），因而，除耐甲氧西林外，SCCmec元件的存在使 MRSA菌株同時(shí)獲得對四環(huán)素類、氨基糖苷類、β內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類等多種抗生素的耐藥能力［4］，SCCmec元件也被稱作金葡菌的抗生素耐受島（drug-resistant genomic island），是MRSA等耐藥菌具有多重耐藥性的重要原因，也使得 MRSA感染的臨床治療成為目前臨床醫(yī)學(xué)所面臨的巨大難題。

2 SCCmec元件分類

依據(jù)mec復(fù)合體組成及ccr復(fù)合體類型的不同，以及被發(fā)現(xiàn)的先后順序，目前已鑒定出11種不同的SCCmec亞型（SCCmecⅠ～Ⅺ），見表2、圖2［4，9］。

3 SCCmec元件的轉(zhuǎn)移

SCCmec元件在金葡菌染色體中并不是穩(wěn)定存在的。即使是在正常生長狀態(tài)下，SCCmec元件也可自發(fā)從 MRSA基因組中脫落，頭尾相連形成閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)游離于菌體細(xì)胞內(nèi)，環(huán)化的SCCmec元件可以在不同種屬葡萄球菌之間水平轉(zhuǎn)移，是一種可移動遺傳元件，所編碼的多重耐藥性也得以在不同MRSA菌株間轉(zhuǎn)移與播散［10-11］。

多項(xiàng)研究顯示，SCCmec元件的水平轉(zhuǎn)移與該元件編碼的Ccr重組酶密切相關(guān)［12］。細(xì)菌體內(nèi)Ccr AB重組酶的過表達(dá)能顯著提高SCCmec元件的解離率（the frequency of excision）［13］。Misiura等［8］分析認(rèn)為，SCCmec元件的整合或切離過程包括以下步驟；①外源性環(huán)狀SCCmec元件進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，Ccr啟動表達(dá)，特異性識別并結(jié)合位于MRSA菌株基因組復(fù)制起始位點(diǎn)附近的attB序列（與MRSAorf X基因3'-末端有15 bp的堿基重疊）以及位于游離的環(huán)狀SCCmec元件上的attSCC序列；②通過Ccr介導(dǎo)，attB序列和attSCC序列彼此靠攏；③借助Ccr的切離酶（excisionase）活性，attB及attSCC DNA片段斷裂進(jìn)而發(fā)生180°旋轉(zhuǎn)，彼此交換一半的DNA序列，形成2個(gè)雜合的新型att位點(diǎn)；att L位點(diǎn)（由attB位點(diǎn)的5'-端序列及attSCC位點(diǎn)的3'-端序列組成）及attR位點(diǎn)（由attSCC位點(diǎn)的5'-端序列及attB位點(diǎn)的3'-端序列組成）；④Ccr發(fā)揮整合酶活性，催化SCCmec元件插入細(xì)菌基因組中（此時(shí)，SCCmec元件兩端的att位點(diǎn)分別為att L位點(diǎn)和attR位點(diǎn)），金葡菌因此獲得SCCmec元件編碼的新的生物學(xué)特征，由MSSA轉(zhuǎn)變?yōu)镸RSA。反之，則為MRSA基因組SCCmec元件的切離過程。見圖3。

表2 SCC mec元件分類

圖2 MRSA SCC mecⅠ-Ⅺ組成模式圖（引自文獻(xiàn)4）

圖3 SCC mec元件整合/切離模式圖（引自文獻(xiàn)8）

在Ccr AB參與的SCCmec元件切離/整合過程中，Ccr A亞基主要發(fā)揮DNA識別結(jié)合功能，能特異性識別attB及att L位點(diǎn)5'-端與基因組orf X基因重疊的序列（圖3中深藍(lán)色DNA片段），從而確定SCCmec元件插入或切離的部位［8］。CcrB亞基則發(fā)揮整合酶或切離酶的功能，催化SCCmec元件插入與切離脫落過程的發(fā)生。研究顯示，當(dāng)CcrB蛋白單獨(dú)表達(dá)時(shí)，CcrB能催化兩端序列分別為attSCC×attSCC、attSCC×attR及attR×attR的SCCmec元件的切離與插入；而當(dāng)Ccr A、CcrB亞基同時(shí)表達(dá)時(shí)，除兩端序列分別為attB×attB、att L×att L、attB×att L的組合外，其余類型的SCCmec元件均能被正確的切離與插入。CcrB亞基識別重組位點(diǎn)的非特異性，使得其他具有與SCCmecatt位點(diǎn)相似序列的移動元件均可能在Ccr作用下插入到MRSA基因組的att L與attR位點(diǎn)之間，使MRSA菌株能快速獲得新的基因及生物學(xué)性狀，有利于MRSA的進(jìn)化及對生存環(huán)境的快速適應(yīng)。同時(shí)，這也是SCCmec元件具有多樣性，逐步進(jìn)化形成21～67 kb的SCCmec超家族的重要原因［8］。

4 Ccr的表達(dá)調(diào)控

通常情況下，SCCmec元件自發(fā)切離頻率極低。Stojanov等［14］對ccrAB基因啟動子的研究顯示；一個(gè)MRSA培養(yǎng)物中，絕大多數(shù)菌株ccrAB基因啟動子的活性處于抑制狀態(tài)，僅1%～3%細(xì)菌能表達(dá)Ccr。這部分細(xì)菌的SCCmec元件就能在Ccr作用下從基因組上切離、脫落下來并轉(zhuǎn)移到新的菌株中，使細(xì)菌的耐藥性得以傳遞。而對于那些ccrAB基因啟動子處于激活狀態(tài)的 MRSA菌株而言，其對數(shù)生長期ccrAB基因啟動子的活性明顯高于平臺期；并且，高溫（如42℃）、培養(yǎng)條件（如不同培養(yǎng)基）、生存環(huán)境、細(xì)菌遺傳背景、絲裂霉素及某些抗菌藥物（如苯唑西林、頭孢西丁、氨芐青霉素等β內(nèi)酰胺類抗生素及萬古霉素）的使用均可影響ccrAB基因啟動子活性的高低，進(jìn)而影響 Ccr的表達(dá)［14-15］，提示ccr基因啟動子的激活受著嚴(yán)格的調(diào)控，只是調(diào)控的具體分子機(jī)制至今仍不清楚。Stojanov等［14］曾將克隆了ccrAB基因啟動子的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入SCCmec元件缺失的MRSA N315突變株體內(nèi)，ccrAB基因啟動子能正常激活并啟動報(bào)告基因的表達(dá)，提示MRSA SCCmec元件中不含有能調(diào)節(jié)ccrAB基因啟動子活性的基因，SCCmec元件及表達(dá)產(chǎn)物不參與Ccr的表達(dá)調(diào)控；Stojanov等［14］也曾分析MRSA的核心基因組及SCCmec元件序列，沒有找到類似調(diào)節(jié)枯草芽孢桿菌ICEBs1基因島切離插入所需的阻遏/反阻遏調(diào)控系統(tǒng)（repressor/antirepressor system）［14］；也未能在ccrAB基因啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶核心酶σ因子的特異性結(jié)合位點(diǎn)［14］。因而，迄今為止，ccrAB基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制尚有待人們深入研究。對Ccr表達(dá)調(diào)控機(jī)制的深入認(rèn)識，將進(jìn)一步闡明MRSA菌株SCCmec元件的水平轉(zhuǎn)移機(jī)制，揭示MRSA多重耐藥性的播散機(jī)制。

［1］ Iwamoto M，Mu Y，Lynfield R，et al.Trends in invasive methicillin-resistantStaphylococcus aureusinfections［J］.Pediatrics，2013，132（4）；e817-e824.

［2］ DeLeo FR，Chambers HF.Reemergence of antibiotic-resistantStaphylococcus aureusin the genomics era［J］.J Clin Invest，2009，119（9）；2464-2474.

［3］ 汪復(fù)，朱德妹，胡付品，等.2012年中國CHINET細(xì)菌耐藥性監(jiān)測［J］.中國感染與化療雜志，2013，13（5）；321-330.

［4］ Hiramatsu K，Ito T，Tsubakishita S，et al.Genomic basis for methicillin resistanceinStaphylococcusaureus［J］.Infect Chemother，2013，45（2）；117-136.

［5］ Boundy S，Safo MK，Wang L，et al.Characterization of theStaphylococcus aureusrRNA methyltransferase encoded byorf X，the gene containing the staphylococcus chromosome casstte mec（SCCmec）insertion site［J］.J Biol Chem，2013，288（1）；132-140.

［6］ Xia J，Gao J，Kokudo N，et al.Methicillin-resistantStaphylococcusaureusantibiotic resistance and virulence［J］.Biosci Trends，2013，7（3）；113-121.

［7］ Hanssen AM，Ericson Sollid JU.SCCmecin staphylococci；genes on the move［J］.FEMS Immunol Med Microbiol，2006，6（1）；8-20.

［8］ Misiura A，Pigli YZ，Boyle-Vavra S，et al.Roles of two large serine recombinases in mobilizing the methicillin-resistance cassette SCCmec［J］.Mol Microbiol，2013，88（6）；1218-1229.

［9］ International Working Group on the Classification of Staphylococcal Cassette Chromosome Elements（IWG-SCC）.Classification of staphylococcal cassette chromosomemec（SCCmec）；guidelines for reporting novel SCCmecelements［J］.Antimicrob Agents Chemother，2009，53（12）；4961-4967.

［10］ Boundy S，Zhao Q，F(xiàn)airbanks C，et al.Spontaneous staphylococcal cassette chromosomemecelement excision inStaphylococcus aureusnasal carriers［J］.J Clin Microbiol，2012，50（2）；469-471.

［11］ Bloemendaal AL，Brouwer EC，F(xiàn)luit AC.Methicillin resistance transfer fromStaphylococcus epidermidisto methicillin-susceptibleStaphylococcus aureusin a patient during antibiotic therapy［J］.PLoS One，2010，5（7）；e11841.

［12］ Wang L，Archer GL.Roles of Ccr A and CcrBin excision and integration of staphylococcal cassette chromosomemec，aStaphylococcus aureusgenomic island［J］.J Bacteriol，2010，192（12）；3204-3212.

［13］ Noto MJ，Archer GL.A subset ofStaphylococcus aureusstrains harboring staphylococcal cassette chromosomemec（SCCmec）type IV is deficient in Ccr AB-mediated SCCmecexcision［J］.Antimicrob Agents Chemother，2006，50（8）；2782-2788.

［14］ Stojanov M，Sakwinska O，Moreillon P.Expression of SCCmeccassette chromosome recombinases in methicillin-resistantStaphylococcus aureusandStaphylococcus epidermidis［J］.Antimicrob Chemother，2013，68（4）；749-757.

［15］ Higgins PG，Rosato AE，Seifert H，et al.Differential expression of ccr A in methicillin-resistantStaphylococcusaureusstrains carrying staphylococcal cassette chromosomemectype II and IVa elements［J］.Antimicrob Agents Chemother，2009，53 （10）；4556-4558.

The staphylococcal cassette chromosome mec（SCC mec）element ofS.aureusand its horizontal transfer

YU Junyuan，ZHANGWenqing，QI Lin，LI Meng，LI Shu.（Department of Microbiology，the Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

R378.11

A

1009-7708（2015）02-0180-04

2014-04-16

2014-09-09

國家自然科學(xué)基金（31470241）；重慶市自然科學(xué)基金（cstc2011jjA10050，CSTC 2011BB5026）；第三軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部本科生‘創(chuàng)新杯’奇思妙想活動資助項(xiàng)目（jc2013049）。

第三軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部微生物學(xué)教研室，重慶400038；*護(hù)理學(xué)院；**學(xué)員11營。

于俊媛（1989—），女，碩士，主要從事耐甲氧西林金黃色葡萄球菌耐藥機(jī)制研究。

黎庶，E-mail；lishu72?aliyun.com。