食源性致病菌耐药性与成簇的规律间隔短回文重复序列系统关联性研究进展
发布时间：2021-08-07 04:58
近年来,随着对抗生素的滥用,食源性致病菌的耐药性问题日趋严重。目前除了从管理上规范抗生素的使用,对规律间隔短回文重复序列系统（clusterd regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR）与耐药性相关研究也在持续进行。CRISPR-Cas作为一种天然免疫机制,因为其独特的免疫作用机理,目前常被用以基因编辑、耐药性等方面研究。本文对CRISPR-Cas系统进行简要介绍,从其结构、原理以及目前的研究趋势对不同菌株间CRISPR系统与耐药性、毒力因素进行相关总结,为防治食源性致病菌引起的食品安全问题提供新思路。
【文章来源】：食品安全质量检测学报. 2020,11(24)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CRISPR-Cas系统结构
Vosik等[32]通过对美国本土沙门氏菌进行CRISPR和多位点序列分型(multilocus sequence typing,MLST)比对,耐药分析发现分离株对四环素类抗生素(占分离株的58%),氨苄青霉素(50%),链霉素(占43%)和对增强素的中度或完全耐药(占45%)表现出抗药性,说明食源性致病菌耐药率逐渐上升,但是市面上抗生素有限,所以耐药趋势目前来说十分严峻。对志贺菌株进行CRISPR系统筛查,发现95%的志贺氏菌包含可信的CRISPR结构,对于包含这些结构的志贺氏菌,它们的多重耐药率可达到53.33%,并且其间隔序列的多样性与重复序列的保守状态与耐药性之间存在一定关联[33]。张冰[34]在实验研究中发现,通过电转导入耐药基因的志贺菌CRISPR系统并没有产生较大变化,或者是单核苷酸多动态性变化,并且发现在高浓度氯霉素作用下,会激活志贺氏菌外排泵蛋白使其出现耐药性,但这种变化并不会影响志贺氏菌的CRISPR系统。拥有CRISPR系统的大肠杆菌耐药性相对来说也比较高,实验发现,包含CRISPR系统的大肠杆菌对土霉素(97.7%)、磺胺-6-甲氧嘧啶(96.9%)、强力霉素(90.0%)、阿莫西林(83.1%)和利福平(83.8%)均体现出较强的耐药性[35]。CRISPR阳性的大肠杆菌菌株的多重耐药率明显高于阴性菌株,侧面反映出,在大肠杆菌中可能频繁出现不同菌株间的耐药基因水平转移现象,并且这一转移过程并没有被CRISPR-Cas系统干扰,所以才会出现多重耐药的CRISPR阳性菌株[36]。总体来说,存在CRISPR序列的菌株,基本都会出现较高的多重耐药性的情况,对于此类多重耐药菌株的出现原因与CRISPR之间关系也值得深入研究探讨。另外,除了探究食源性致病菌CRISPR与耐药性之间的关系,也有研究利用CRISPR-Cas9降低食源性致病菌的抗生素耐药率。董海思[36]研究针对质粒介导耐药大肠杆菌的情况,利用CRISPR-Cas9基因敲除技术,对大肠杆菌中多重耐药质粒中的cfr基因进行敲除,结合效率为0.22%;通过同源重组不依赖宿主菌的接合效率可达1.43%。通过对金黄色葡萄球菌实验发现,当CRISPR系统完整并且存在cas基因簇时,耐药基因mec A的水平转移现象会大幅度受到抑制,可以有效降低金黄色葡萄球菌的耐药率问题[37],说明cas基因在金黄色葡萄球菌中对降低耐药性有一定影响。但是在大肠杆菌中,cas基因在CRISPR阳性和阴性菌株中并无明显差异,并且耐药质粒可以在CRISPR阳性菌种中传播[38]。对于志贺氏菌来讲,其耐药性与毒力作用,在一定情况中与CRISPR在统计学研究方面存在一定关系[39],并且发现是由多个CRISPR系统协同作用而发生的,相比于肺炎链球菌的CRISPR系统阻止毒力因子摄入,目前志贺氏菌CRISPR与毒力作用之间的关系还需要进一步深入研究。
食源性致病菌通常获得毒力基因来源于外源噬菌体和病毒等方式,例如在致病性金黄色葡萄球菌、肠炎沙门氏菌基因组中会发现毒力因子编码基因和温和噬菌体的基因[42]。间隔序列可以防御外来遗传物质的入侵,所以在一定程度上会阻止毒力因子的获取,干扰毒力因子在致病菌之间进行传播。Yang等[43]研究中,揭露了金黄色葡萄球菌08BA02176和MSHR1132的5个间隔序列与来自噬菌体或质粒的外源遗传序列同源,甚至含有与某些噬菌体含有编码PVL毒素的luk PV基因的部分基因组相同的间隔序列。除此以外,Ido等[44]发现空肠弯曲菌强毒性菌株如果缺失CRISPR序列或是存在较短CRISPR序列,其自身则会增强毒性,另外发现如果CRISPR系统中缺失cas1基因簇,则肠球菌毒性会增强,导致致病岛增多。CRISPR降低食源性致病菌毒力的原因在于可以利用反义RNA作用影响免疫原蛋白膜的表达,不过此原理中的RNA在不同食源性致病菌中千差万别,并没有统一的反义RNA[45,46]。通过对CRISPR-Cas9的了解,发现了cas9基因簇是食源性致病菌降低毒力因素的关键,cas9在毒力方面的独特作用已经被提出[47],并且cas9如何共同决定毒力的分子基础已经被揭示。cas操纵子包含至少3个基因(cas9、cas1、cas2)(图3A),基于csn2和cas4基因型分别出现在Ⅱ-A和Ⅱ-B型中;其中处理过的cr RNA和较短版本的tracr RNA,很可能是由处理较长tracr RNA或来自第2个启动子的转录而产生的(图3B),最终负责与目标DNA的相互作用;tracr RNA与转录目标有很多相似的同源性,导致转录RNA出现被降解的可能(图3C)[48]。总的来说,CRISPR-Cas9应用范围十分广泛,对于降低食源性致病菌毒力因素,降低致病菌耐药性至关重要。对于耐药基因和毒力基因溯源性问题进行研究,可以从根本上抑制致病菌带来的食品安全健康问题。3 讨论与展望
【参考文献】：
期刊论文
[1]红霉素耐药粪肠球菌ermB基因及水平转移分析[J]. 卢大雷,桓新,王乐,冯卫东,马颖,冯彩丽. 职业与健康. 2020(06)
[2]1株同时携带mcr-1和NDM-5质粒介导耐药基因的泛耐药大肠埃希菌研究[J]. 刘五高,刘爱霞,金晶,林德,林玉宇,王伟. 中国卫生检验杂志. 2020(05)
[3]葡萄球菌CRISPR-Cas系统的基因结构及其与耐药基因的关系[J]. 张蒙蒙,毕春霞,王梦园,付恒霞,刘晓宇,穆政融,宋丽雪,徐乐,杨亚,朱元祺,闫志勇. 中国病原生物学杂志. 2019(05)
[4]志贺菌中成簇的规律间隔短回文重复序列与毒力基因和耐药基因的关系[J]. 王颖芳,王鹏飞,詹煜慧,张晓萌,段广才,郗园林. 西安交通大学学报(医学版). 2019(01)
[5]CRISPR/Cas系统作为抗菌药的现状及展望[J]. 曾家伟,侯国锋,郑继平,杨诺,曾纪峰,郭桂英. 中国生物工程杂志. 2018(11)
[6]反义RNA:遗传研究领域的新宠儿（英文）[J]. Jian-zhong XU,Jun-lan ZHANG,Wei-guo ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science B（Biomedicine & Biotechnology）. 2018(10)
[7]CRISPR/Cas系统抵御细菌耐药[J]. 徐艳,崔玉晓,杨洋,罗义,郑向群,毛大庆. 生态毒理学报. 2018(03)
[8]利用CRISPR/Cas9系统抑制Kan耐药基因水平转移研究[J]. 徐桐桐,卞晓锐,单彩龙,赵丹,焦红梅,阴银燕,李国才. 中华微生物学和免疫学杂志. 2017 (04)
[9]志贺菌CRISPR的检测及其与耐药的关系[J]. 王琳琳,王颖芳,段广才,薛泽润,郭向娇,王鹏飞,郗园林,杨海燕. 微生物学报. 2015(04)
[10]CRISPR结构及作用机理研究进展[J]. 谢晓蕾,李求春. 安徽农业科学. 2014(31)
硕士论文
[1]大肠杆菌CRISPR/Cas与耐药性的关系研究[D]. 赵霞.安徽农业大学 2019
[2]沙门菌CRISPR/Cas系统与氟喹诺酮类耐药的相关性研究[D]. 王磊.安徽农业大学 2018
[3]基于CRISPR的大肠杆菌分子分型方法的建立[D]. 龙金照.郑州大学 2017
[4]CRISPR-Cas9系统对大肠杆菌基因组的编辑和细菌耐药性逆转方面的研究[D]. 姚文晔.厦门大学 2017
[5]应用CRISPR/cas9技术消除大肠杆菌中多重耐药基因cfr的法研究[D]. 董海思.吉林大学 2016
[6]志贺菌中CRISPR/Cas系统与其耐药的关系[D]. 张冰.郑州大学 2016
本文编号：3327125
【文章来源】：食品安全质量检测学报. 2020,11(24)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CRISPR-Cas系统结构
Vosik等[32]通过对美国本土沙门氏菌进行CRISPR和多位点序列分型(multilocus sequence typing,MLST)比对,耐药分析发现分离株对四环素类抗生素(占分离株的58%),氨苄青霉素(50%),链霉素(占43%)和对增强素的中度或完全耐药(占45%)表现出抗药性,说明食源性致病菌耐药率逐渐上升,但是市面上抗生素有限,所以耐药趋势目前来说十分严峻。对志贺菌株进行CRISPR系统筛查,发现95%的志贺氏菌包含可信的CRISPR结构,对于包含这些结构的志贺氏菌,它们的多重耐药率可达到53.33%,并且其间隔序列的多样性与重复序列的保守状态与耐药性之间存在一定关联[33]。张冰[34]在实验研究中发现,通过电转导入耐药基因的志贺菌CRISPR系统并没有产生较大变化,或者是单核苷酸多动态性变化,并且发现在高浓度氯霉素作用下,会激活志贺氏菌外排泵蛋白使其出现耐药性,但这种变化并不会影响志贺氏菌的CRISPR系统。拥有CRISPR系统的大肠杆菌耐药性相对来说也比较高,实验发现,包含CRISPR系统的大肠杆菌对土霉素(97.7%)、磺胺-6-甲氧嘧啶(96.9%)、强力霉素(90.0%)、阿莫西林(83.1%)和利福平(83.8%)均体现出较强的耐药性[35]。CRISPR阳性的大肠杆菌菌株的多重耐药率明显高于阴性菌株,侧面反映出,在大肠杆菌中可能频繁出现不同菌株间的耐药基因水平转移现象,并且这一转移过程并没有被CRISPR-Cas系统干扰,所以才会出现多重耐药的CRISPR阳性菌株[36]。总体来说,存在CRISPR序列的菌株,基本都会出现较高的多重耐药性的情况,对于此类多重耐药菌株的出现原因与CRISPR之间关系也值得深入研究探讨。另外,除了探究食源性致病菌CRISPR与耐药性之间的关系,也有研究利用CRISPR-Cas9降低食源性致病菌的抗生素耐药率。董海思[36]研究针对质粒介导耐药大肠杆菌的情况,利用CRISPR-Cas9基因敲除技术,对大肠杆菌中多重耐药质粒中的cfr基因进行敲除,结合效率为0.22%;通过同源重组不依赖宿主菌的接合效率可达1.43%。通过对金黄色葡萄球菌实验发现,当CRISPR系统完整并且存在cas基因簇时,耐药基因mec A的水平转移现象会大幅度受到抑制,可以有效降低金黄色葡萄球菌的耐药率问题[37],说明cas基因在金黄色葡萄球菌中对降低耐药性有一定影响。但是在大肠杆菌中,cas基因在CRISPR阳性和阴性菌株中并无明显差异,并且耐药质粒可以在CRISPR阳性菌种中传播[38]。对于志贺氏菌来讲,其耐药性与毒力作用,在一定情况中与CRISPR在统计学研究方面存在一定关系[39],并且发现是由多个CRISPR系统协同作用而发生的,相比于肺炎链球菌的CRISPR系统阻止毒力因子摄入,目前志贺氏菌CRISPR与毒力作用之间的关系还需要进一步深入研究。
食源性致病菌通常获得毒力基因来源于外源噬菌体和病毒等方式,例如在致病性金黄色葡萄球菌、肠炎沙门氏菌基因组中会发现毒力因子编码基因和温和噬菌体的基因[42]。间隔序列可以防御外来遗传物质的入侵,所以在一定程度上会阻止毒力因子的获取,干扰毒力因子在致病菌之间进行传播。Yang等[43]研究中,揭露了金黄色葡萄球菌08BA02176和MSHR1132的5个间隔序列与来自噬菌体或质粒的外源遗传序列同源,甚至含有与某些噬菌体含有编码PVL毒素的luk PV基因的部分基因组相同的间隔序列。除此以外,Ido等[44]发现空肠弯曲菌强毒性菌株如果缺失CRISPR序列或是存在较短CRISPR序列,其自身则会增强毒性,另外发现如果CRISPR系统中缺失cas1基因簇,则肠球菌毒性会增强,导致致病岛增多。CRISPR降低食源性致病菌毒力的原因在于可以利用反义RNA作用影响免疫原蛋白膜的表达,不过此原理中的RNA在不同食源性致病菌中千差万别,并没有统一的反义RNA[45,46]。通过对CRISPR-Cas9的了解,发现了cas9基因簇是食源性致病菌降低毒力因素的关键,cas9在毒力方面的独特作用已经被提出[47],并且cas9如何共同决定毒力的分子基础已经被揭示。cas操纵子包含至少3个基因(cas9、cas1、cas2)(图3A),基于csn2和cas4基因型分别出现在Ⅱ-A和Ⅱ-B型中;其中处理过的cr RNA和较短版本的tracr RNA,很可能是由处理较长tracr RNA或来自第2个启动子的转录而产生的(图3B),最终负责与目标DNA的相互作用;tracr RNA与转录目标有很多相似的同源性,导致转录RNA出现被降解的可能(图3C)[48]。总的来说,CRISPR-Cas9应用范围十分广泛,对于降低食源性致病菌毒力因素,降低致病菌耐药性至关重要。对于耐药基因和毒力基因溯源性问题进行研究,可以从根本上抑制致病菌带来的食品安全健康问题。3 讨论与展望
【参考文献】：
期刊论文
[1]红霉素耐药粪肠球菌ermB基因及水平转移分析[J]. 卢大雷,桓新,王乐,冯卫东,马颖,冯彩丽. 职业与健康. 2020(06)
[2]1株同时携带mcr-1和NDM-5质粒介导耐药基因的泛耐药大肠埃希菌研究[J]. 刘五高,刘爱霞,金晶,林德,林玉宇,王伟. 中国卫生检验杂志. 2020(05)
[3]葡萄球菌CRISPR-Cas系统的基因结构及其与耐药基因的关系[J]. 张蒙蒙,毕春霞,王梦园,付恒霞,刘晓宇,穆政融,宋丽雪,徐乐,杨亚,朱元祺,闫志勇. 中国病原生物学杂志. 2019(05)
[4]志贺菌中成簇的规律间隔短回文重复序列与毒力基因和耐药基因的关系[J]. 王颖芳,王鹏飞,詹煜慧,张晓萌,段广才,郗园林. 西安交通大学学报(医学版). 2019(01)
[5]CRISPR/Cas系统作为抗菌药的现状及展望[J]. 曾家伟,侯国锋,郑继平,杨诺,曾纪峰,郭桂英. 中国生物工程杂志. 2018(11)
[6]反义RNA:遗传研究领域的新宠儿（英文）[J]. Jian-zhong XU,Jun-lan ZHANG,Wei-guo ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science B（Biomedicine & Biotechnology）. 2018(10)
[7]CRISPR/Cas系统抵御细菌耐药[J]. 徐艳,崔玉晓,杨洋,罗义,郑向群,毛大庆. 生态毒理学报. 2018(03)
[8]利用CRISPR/Cas9系统抑制Kan耐药基因水平转移研究[J]. 徐桐桐,卞晓锐,单彩龙,赵丹,焦红梅,阴银燕,李国才. 中华微生物学和免疫学杂志. 2017 (04)
[9]志贺菌CRISPR的检测及其与耐药的关系[J]. 王琳琳,王颖芳,段广才,薛泽润,郭向娇,王鹏飞,郗园林,杨海燕. 微生物学报. 2015(04)
[10]CRISPR结构及作用机理研究进展[J]. 谢晓蕾,李求春. 安徽农业科学. 2014(31)
硕士论文
[1]大肠杆菌CRISPR/Cas与耐药性的关系研究[D]. 赵霞.安徽农业大学 2019
[2]沙门菌CRISPR/Cas系统与氟喹诺酮类耐药的相关性研究[D]. 王磊.安徽农业大学 2018
[3]基于CRISPR的大肠杆菌分子分型方法的建立[D]. 龙金照.郑州大学 2017
[4]CRISPR-Cas9系统对大肠杆菌基因组的编辑和细菌耐药性逆转方面的研究[D]. 姚文晔.厦门大学 2017
[5]应用CRISPR/cas9技术消除大肠杆菌中多重耐药基因cfr的法研究[D]. 董海思.吉林大学 2016
[6]志贺菌中CRISPR/Cas系统与其耐药的关系[D]. 张冰.郑州大学 2016
本文编号：3327125
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