综述：移动遗传元件对革兰阴性病原体抗生素耐药基因的影响：当前见解与基因组学方法

　　这篇综述系统阐述了移动遗传元件（MGE）在抗生素耐药基因（ARG）传播中的核心作用，特别聚焦于革兰阴性病原体。作者详细解析了插入序列（IS）、转座子（Tn）、整合子（In）、质粒、整合接合元件（ICE）和噬菌体等MGE如何通过改变ARG的定位、拷贝数和表达水平，驱动耐药性在种内和种间传播。文章还重点探讨了基因组学方法（如长读长测序和生物信息学工具）在追踪ARG传播路径和解析MGE-ARG关联中的应用，为耐药性监测和防控策略提供了重要理论依据。

　　

1. 引言

抗生素耐药性（AMR）已被世界卫生组织列为全球健康危机，预计到2050年每年将导致1000万人死亡。革兰阴性病原体因其携带可移动耐药基因的能力而备受关注，这些基因通过移动遗传元件（MGE）在不同细菌、质粒和染色体间快速传播。理解MGE与ARG的关联机制对制定有效的监测和控制策略至关重要。

1.1 关键移动抗生素耐药基因

临床关注的耐药基因主要包括编码碳青霉烯酶和超广谱β-内酰胺酶（ESBL）的bla基因（如bla_CTX-M、bla_NDM）、氨基糖苷类耐药基因（aac、aph、aad）以及粘菌素耐药基因mcr。这些基因通过MGE在不同菌种间传播，导致多药耐药性蔓延。

1.2 移动遗传元件分类

MGE可分为细胞内元件（IS、转座子、整合子）和细胞间元件（质粒、ICE、噬菌体）。细胞内元件负责基因在细胞内的重定位，而细胞间元件介导基因在细菌间的水平转移。质粒和ICE是ARG传播的主要载体，噬菌体的作用尚存争议。

1.3 细胞内移动遗传元件

1.3.1 转座元件

插入序列（IS）是最简单的自主转座元件，由反向重复序列（IR）和转座酶基因（tnpA）构成。复合转座子由两个IS flanking cargo基因组成（如Tn125携带bla_NDM-1），单位转座子（如Tn3）则包含解离酶基因（tnpR）和res位点。这些元件的活动可导致基因重排、缺失或倒位。

1.3.2 整合子

整合子通过整合酶（IntI）催化基因盒（含attC位点）在attI位点的整合与切离。基因盒通常无启动子，依赖整合子自身的P_C启动子表达，其顺序变化可调节基因表达水平。

1.4 细胞间移动遗传元件

1.4.1 质粒

接合性质粒通过性菌毛转移DNA，可携带多个ARG（如IncM2质粒pCTX-M3同时携带bla_CTX-M-3、armA和I类整合子）。广宿主范围质粒（如IncN、IncC）可跨种传播耐药性。

1.4.2 整合接合元件（ICE）

ICE可在染色体上整合与切离，并通过接合转移。SXT/R391家族ICE可通过模块重组携带多重耐药基因岛，在弧菌等病原体中广泛传播。

1.4.3 噬菌体

目前证据表明噬菌体在革兰阴性菌ARG传播中作用有限，其介导的转导效率低且宿主范围窄。

2. MGE对ARG表达、保留及传播的影响

2.1 MGE扩大ARG的宿主范围

通过与MGE结合，ARG可从环境菌转移至人类病原体，甚至跨属传播。例如ISEcp1介导bla_CTX-M从克雷伯菌属向肠杆菌科其他成员扩散。

2.2 细胞内移动创造新的传播机会

转座活动可将ARG从染色体转移至接合性质粒（如IS26通过靶向保守反应形成伪复合转座子），或通过同源重组在不同质粒间跳跃（如Tn4401在Tn2类似元件间转移bla_KPC）。

2.3 细胞间移动将ARG递送至新宿主

流行性质粒（如携带bla_OXA-48的IncL质粒）可在医院环境中跨种传播。ICE（如SXT/R391）则通过接合在远缘物种间转移耐药岛。

2.4 MGE活动改变启动子可及性

2.4.1 MGE携带启动子

ISEcp1提供-35启动子元件增强bla_CTX-M表达；ISAba1上调A. baumannii中bla_OXA基因表达导致碳青霉烯耐药。整合子P_C启动子强度变异显著影响基因盒表达水平。

2.4.2 改变调控元件 proximity

MGE插入可能使ARG脱离原有调控系统（如染色体ampC转移至质粒后变为组成型高表达），或通过形成杂合启动子（如IS26提供-35区与宿主-10区组合）激活沉默基因。

2.4.3 促成多重ARG共定位

IS26介导的MDR区域组装可一次性传递多种耐药性（如pEC014-1质粒携带氨基糖苷、β-内酰胺、磺胺类耐药基因）。重金属抗性基因（如mer operon）与ARG的共选择（co-selection）可能促进耐药性在无抗生素压力环境中的持续存在。

2.5 MGE促进ARG耐药谱扩展

基因拷贝数增加（如IS26介导aphA1扩增至65拷贝）可通过剂量效应突破表型阈值，或加速功能突变（如SHV-1→SHV-2单氨基酸突变）的获得。

2.6 细胞内MGE的重要性

细胞内MGE通过改变ARG定位、拷贝数、表达和共选择压力，间接影响其传播效率。解析这些机制需结合基因组学数据和生物学过程理解。

3. 利用基因组学解析ARG移动

3.1 追踪ARG传播：质粒传输

完全基因组测序可识别相同质粒在不同菌种间的传播（如QEHB医院IncN质粒pQEB1在5个物种中流行）。环境菌作为耐药质粒库（如ICU下水道中的Serratia marcescens）可能成为病原体获得ARG的中转站。

3.2 追踪ARG传播：细胞内MGE活动

保守侧翼序列分析（如Tn4401变异追踪）可区分独立获得事件与单次转移后转座。靶位点重复（TSD）序列可作为IS移动的分子印记（如IS26转座后保留的8 bp重复）。

3.3 理解ARG遗传背景的演化

工具如Flanker、Pangraph可通过比较ARG侧翼序列的多样性，重建传播路径。基因岛的结构变异（如整合子基因盒 shuffling）可通过泛基因组图可视化。

3.4 长读长测序与完整组装的优势

Oxford Nanopore和PacBio技术可解析重复区域、质粒结构变异和嵌合序列。NCBI病原体数据库中含bla_NDM、bla_KPC、bla_CTX-M的完整组装数量自2021年起倍增，为大数据分析提供资源。

3.5 MGE注释与分型

3.5.1 质粒分型与亲缘关系定义

PTU（质粒分类单元）基于核心基因簇提供生物学意义的分型。SHIP和Pling等工具通过计算进化事件（倒位、转座等）数量量化质粒间距离，克服传统 replicon typing 的局限性。

3.5.2 全MGE注释

MobileElementFinder、ISfinder等工具可注释多类别MGE，但仍需解决命名不一致（如ICE曾称“接合转座子”）、片段识别和嵌套元件解析等挑战。退化MGE遗迹可能保留重要进化历史信息。

4. 未来方向

将MGE动态监测纳入AMR常规 surveillance 需开发自动化流程，整合完整组装、精确注释和生物学验证。长读长测序成本的降低促使实时基因组流行病学成为可能，但需配套开发 scalable 的生物信息学工具。最终目标是构建包含克隆传播、质粒转移和细胞内移动的多层次ARG传播监测体系。