启动子在细菌耐药性和毒力中的作用机制
启动子在细菌耐药性和毒力中的作用机制
导读：启动子是细菌基因表达调控的关键元件，其功能异常与细菌耐药性和毒力密切相关。本文从启动子的基本概念出发，结合具体研究案例，深入探讨了启动子在细菌耐药性和毒力中的重要作用。
启动子（Promoter）是可被RNA聚合酶识别、结合并起始基因转录的一段DNA序列。由于它与基因的转录密切相关，通常启动子的强度将直接影响基因的转录水平，进而影响整体的基因表达量以及菌株的表型结果。因此启动子在细菌的耐药性和毒力等方面发挥着重要的作用，各种启动子相关的突变，如点突变、片段插入或缺失等都可能会造成菌株耐药性和毒力的减弱或增强[1]。
图1 原核生物的启动子结构（图片来源于网络）
而耐药基因的表达一般是与可移动元件密切相关的。比如转座元件（transposable elements, TEs, 包括插入序列和转座子）可以通过多种方式启用或调节邻近基因的表达，包括间接的转座后重排，以及转座事件本身所固有的启动子传递等。且不同的转座元件具有高度的启动子多样性（图2）。关于这一部分内容我们可以参考Lipszyc A 等人于2022年发表的“TE如何激活转录沉默耐药基因表达”的综述文章[2]。
图2 TE相关的各种启动子模式
整合子的可变区启动子P1同样可以启动耐药基因盒的转录与后续表达。然而不同结构的启动子，其下游基因盒的表达水平有所不同[3]。一项头孢他啶-阿维巴坦（CZA）耐药铜绿假单胞菌研究显示，blaGES-1基因上游存在强启动子Pc，可以导致blaGES-1的过表达，从而引起铜绿假单胞菌的CZA耐药（图3B、C、D）[4]。而弱启动子P1甚至可能需要额外的P2启动子参与才能正常发挥其功能。
图3 A.ST235铜绿假单胞菌分离株的系统发育树；B. CZA耐药菌株的GES-1与外排泵相对表达率；C. 铜绿假单胞菌部分染色体序列的线性分析；D.构建菌株间blaGES-1的相对表达率
由启动子介导的毒力基因转录水平的变化也是可能影响菌株毒力的重要原因。在2023年一项对hv-CRKP院内传播和演化的研究中，对毒力基因rmpA上游启动子序列的分析发现，数据据库中rmpA上游的启动子-10区与-35区之间的间隔区序列连续T碱基的数目与菌株的高黏性表现有关。如下图4b所示，根据T碱基数目的情况，rmpA上游的启动子可以分为5种类型：P9T、P10T、P11T、P12T和P13T（图1a）。且实验结果显示，不同类型的启动子的活性具有明显差异，弱启动子可能无法有效地产生rmpA蛋白（图4e）[5]。
图4 不同K. pneumoniae的rmpA启动子分布及功能分析
参考文献
[1]Li Y, Wang S. The impact of genetic and environmental regulation on the expression of antibiotic resistance genes in Enterobacteriaceae [J]. Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao, 2021, 37(4): 1092-106.
[2] Lipszyc A, Szuplewska M, Bartosik D. How Do Transposable Elements Activate Expression of Transcriptionally Silent Antibiotic Resistance Genes? [J]. Int J Mol Sci, 2022, 23(15).
[3] 李超, 周铁丽, 刘庆中, et al. 细菌的整合子及其介导的耐药研究进展 [J]. 中华检验医学杂志, 2007, 30(2): 227-30.
[4]Li X, Zhang X, Cai H, et al. Overexpression of bla(GES-1) due to a strong promoter in the class 1 integron contributes to decreased ceftazidime-avibactam susceptibility in carbapenem-resistant Pseudomonas aeruginosa ST235 [J]. Drug Resist Updat, 2023, 69: 100973.
[5]Liu L, Lou N, Liang Q, et al. Chasing the landscape for intrahospital transmission and evolution of hypervirulent carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae [J]. Sci Bull (Beijing), 2023, 68(23): 3027-47.