葡萄球菌属中交换基因的载体——SCCmec

【摘要】  MRSA在世界范围内广泛蔓延，是感染最常见的病原菌之一。一种具有移动能力的新型基因元件SCCmec携带mecA基因，并通过位点特异性重组作用整合到葡萄球菌属的染色体上，使金葡菌携带上mecA基因，产生对β-内酰胺类抗生素的耐药作用。SCCmec共分为5种类型和多种亚型，不同类型的SCCmec其基因构件也不同，适应不同环境。I、II和III型SCCmec携带多个耐药基因，其多重耐药的表型适合于医院环境；IV和V型SCCmec一般比较轻便，该类MRSA能获得较快的生长速率，适合于社区环境。在国际上，不同地区或不同环境流行的MRSA有多种类型，可以分为5大组(CC5、CC8、CC22、CC30和CC45)。不同的MRSA流行株是通过获得不同类型的SCCmec，经过不同途径进化而来的。

【关键词】  MRSA； SCCmec； ccr复合物； mec复合物

    ABSTRACT  MRSA has been spread internationally, and is the most common and prevalent pathogen in nosocomial infection. SCCmec, a novel mobile DNA element, is able to be integrated into the chromosome of S.aureus through site specific recombination, making S.aureus carry mecA mediating resistance to β-lactam antibiotics. There are 5 types and many subtypes of SCCmecs, and different types of SCCmecs adapt to different environment with their different genetic structure. Generally, type I, II and III SCCmecs carry many resistance genes, making them survive under antibiotic pressure in hospital; on the other hand, type IV and V SCCmecs are much smaller and have a faster growth rate, making them more inclined to exist in community. Internationally, prevalent MRSA can be divided into 5 clonal complex (CC5, CC8, CC22, CC30 and CC45). Different prevalent epidemic-MRSA acquire different types of SCCmecs, and evolve from different directions.

    KEY WORDS  MRSA;  SCCmec;  ccr complex;  mec complex

   1  导论

    1960年半合成青霉素甲氧西林被首次应用于临床，仅仅一年之后，英国就发现了首例耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistance Staphylococcus aureus，MRSA)，之后MRSA以惊人的速度在世界范围内蔓延，成为医院内最常见的病原菌之一，与乙型肝炎、艾滋病同为当今世界三大感染顽疾［1］。20世纪90年代开始，社区感染MRSA的现象与报道日益增多，这种MRSA经常在没有医院经历和院内感染可能的健康人群(多数为小孩)分离获得，而且呈日益增长的趋势［2］。

    MRSA之所以表现对β-内酰胺类抗生素耐药原因在于MRSA携带了mecA基因，mecA基因编码一种新型的青霉素结合蛋白(PBP2a)，与金葡菌内源性的青霉素结合蛋白相比，PBP2a对青霉素类抗生素的亲和力很低， 因此青霉素类抗生素无法结合并作用于PBP2a。除去其它抑制β-内酰胺类抗生素作用的机制，MRSA仅通过PBP2a便能持续合成细胞壁，从而使MRSA表现对β-内酰胺类抗生素耐药［3］。1987年，对日本分离的MRSA菌株mecA进行克隆并测序［4］；后续的研究发现，mecA基因不但广泛分布于金葡菌中，而且在凝固酶阴性葡萄球菌中也能发现该基因的存在［5，6］。使甲氧西林敏感金葡菌(methicillin-susceptible Staphylococcus aureus，MSSA)转变为MRSA是由于一种具有移动能力的新型基因元件SCCmec(sta-phylococcal cassette chromosome mec，SCCmec)上携带mecA基因，通过位点特异性重组酶CcrA和CcrB精确的切除和整合作用，将SCCmec整合到葡萄球菌属的染色体上，使其携带上mecA基因，获得对β-内酰胺类抗生素的耐药作用。

    本文将就SCCmec的结构、分布、起源及它对基因进化产生的影响等几个方面的研究进展进行讨论。

    2  SCCmec的结构

    SCCmec是SCC家族中最大且最重要的一员［7］，是一种携带mecA基因的新型移动基因元件，能作为载体在葡萄球菌属中交换基因信息。SCCmec在未知功能的开放阅读框orfX 3′端的插入位点attB处插入，位于金葡菌染色体复制位点的附近。SCCmec携带三个基本的基因元件：①ccr复合物(ccr gene complex)，包括编码位点特异性重组酶基因ccrA和ccrB，以及在其周围的一些开放阅读框(ORFs)；②mec复合物(mec gene complex)，包括mecA及其调控基因，以及在其上下游的一些插入序列；③位于SCCmec边界的一些正向或反向重复序列，以及插入位点attB与attSCC，为重组酶识别并进行精确的切除和整合作用所必需；此外，在ccr复合物和mec复合物以外的部分为可变区域，称为J区域(junkyard region)，不同型的SCCmec根据J区域分为不同的亚型。

    2.1  ccr复合物

    ccr复合物包括两个位点特异性重组酶基因ccrA和ccrB，以及在其周围的一些开放阅读框(ORFs)。其中位点特异性重组酶CcrA和CcrB通过位点特异性重组作用，可以使多种耐抗生素和耐重金属基因嵌入到SCCmec中；同时不同类型的重组酶CcrA和CcrB识别相应的SCCmec，通过精确的切除和整合作用，使SCCmec整合到葡萄球菌属的染色体上，使不同的葡萄球菌能交换基因信息，适应不同环境和抗生素选择压力。根据ccrA和ccrB基因的不同，ccr复合物分成5型:1型(type 1)携带ccrA1和ccrB1基因，2型(type 2)携带ccrA2和ccrB2基因，3型(type 3)携带ccrA3和ccrB3基因，4型(type 4)携带ccrA4和ccrB4基因，5型(type 5)携带ccrA5和ccrB5基因。

    2.2  mec复合物

    mec复合物根据mecA基因上下游的调控基因和插入序列的不同分为4类：A类(class A)携带完整的mecI-mecR1-mecA-IS431结构，B类(class B)携带缺失而同时有插入序列整合的IS1272-△mecR1-mecA-IS431结构，C类(class C)携带两个拷贝的IS431插入序列IS431-mecA-△mecR1-IS431结构，D类(class D)则携带IS431-mecA-△mecR1结构。其中携带B类mec复合物的MRSA称之为前MRSA，由于其携带完整的mecI基因，对mecA基因的表达起强烈抑制作用，因此该类SCCmec通常表现对β-内酰胺类抗生素低水平耐药［8］。

    2.3  J区域

    J区域根据在SCCmec中的位置分为J1、J2和J3区域，J1位于ccr复合物上游，也称为L-C区域，包括多个开放阅读框和调控子，如pls和kdp调控子；J2位于ccr复合物下游和mec复合物上游，也称为C-M区域，包括完整或缺失的转座子Tn554(编码对红霉素耐药)等基因元件，部分SCCmec缺失J2区域(如IV型SCCmec)；J3则位于mec复合物下游，也称为M-R区域，包括质粒pT181(编码对四环素耐药)，pUB110(编码对氨基糖苷类抗菌药物耐药)，转座子Tn4001，插入序列IS1182等基因元件。

    3  SCCmec的类型

    SCCmec根据发现时间的先后，分为I、II、III、IV和V五种类型和多种亚型，但Piriyaporn等学者最近提出，SCCmec的分型应该有一个更加规范的标准，根据他们提出的协议［7］，SCCmec应该根据ccr复合物和mec复合物类型的不同组合进行分型，其中，ccr复合物用数字表示其类型，mec复合物则用字母表示其类型；对同一型的SCCmec，再据根其J区域分为不同的亚型，分别用两个数字表示J1区域和J2、J3区域的不同，两个数字之间以及与字母之间用点隔开，下面详细说明。

    3.1  I型SCCmec

    I型SCCmec携带1型ccr复合物和B类mec复合物，在J1区域携带pls调控子，大小为34kb(Fig.1)，其代表菌株为NCTC10442，是1961年第一株临床分离获得的MRSA菌株［9］。I型SCCmec包括一个亚型IA，在J3区域携带质粒pUB110［10］，根据新协议，I型SCCmec表示为1B.1.1，IA亚型为1B.1.2。

    3.2  II型SCCmec

    Fig.1    Structure of the type I SCCmec

    II型SCCmec(IIa)携带2型ccr复合物和A类mec复合物，在J1区域携带kdp调控子，J3区域携带质粒pUB110，大小为53kb(Fig.2)，其代表菌株为N315，是1982年在日本分离的前MRSA菌株［11］。II型SCCmec根据J1和J3区域的不同有多个亚型和变型，其中亚型IIb带有特异的J1区域［11］，IIA、IIB、IIC、IID和IIE均带有与IVb型SCCmec同样的J1区域，而带有不同的J3区域，IIA在J3区域携带质粒pUB110与插入序列IS1182，IIB仅携带质粒pUB110，IIC携带质粒pUB110与缺失的插入序列IS1182，IID仅携带插入序列IS1182，IIE仅携带缺失的插入序列IS1182［12］；另外II型SCCmec还有一变型，其J1区域携带kdp调控子，J3区域不携带质粒pUB110［13］。根据新协议，II型SCCmec(IIa)表示为2A.1.1，IIb为2A.2，IIA，IIB、IIC、IID和IIE分别为2A.3.1、2A.3.2、2A.3.3、2A.3.4和2A.3.5，II型SCCmec的变型为2A.1.2。

    3.3  III型SCCmec

    III型SCCmec携带3型ccr复合物和A类mec复合物，在J3区域携带质粒pT181，大小为67kb(Fig.3)，虽然III型SCCmec的J1区域相对较小，但由于携带多个耐药基因，因此在各种SCCmec中是最大的，其代表菌株是85/2082［9］。III型SCCmec根据J3区域的不同有几个亚型，其中IIIA在J3区域不携带质粒pT181和ips基因，IIIB在J3区域不携带质粒pT181［10］。根据新协议，III型SCCmec表示为3A.1.1，IIIA为3A.1.2，IIIB为3A.1.3。

    3.4  IV型SCCmec

    IV型SCCmec携带2型ccr复合物和B类mec复合物，在J3区域携带转座子Tn4001，大小为21～25kb(Fig.4)，是各种SCCmec中最小的。IV型SCCmec的亚型最多， 主要的几种亚型IVa、 IVb、IVc

    Fig.2    Structure of the type II SCCmec

    Fig.3    Structure of the type III SCCmec

    Fig.4    Structure of the type IV SCCmec

    和IVd型分别带有特异的J1区域，其代表菌株分别为CA05，8/6-3P［14］，81/108［15］与JCSC4469［2］； 另外还包括亚型IVE，J1区域与IVc相同，但带有特异的J3区域［12］；IVF，J1区域与IVb相同，但带有特异的J3区域［12］；IVAb，J3区域携带质粒pUB110［13］。根据新协议，IVa，IVb，IVc与IVd分别表示为2B.1，2B.2.1，2B.3.1与2B.4，IVE为2B.3.3，IVF为2B.2.2，IVAb为2B.N.2。

    3.5  V型SCCmec

    V型SCCmec携带5型ccr复合物和C类mec复合物，大小为27kb(Fig.5)，其结构上与IV型SCCmec十分相似，不同之处在于其携带一个完整的由hsdR、hsdS和hsdM基因组成的第一类限制修饰系统(restriction-modification system)，其代表菌株为WIS［8］，暂时没有相关亚型的报道。根据新协议，V型SCCmec表示为5C.1。

    3.6  其它类型SCCmec

    2001年，Oliveira等在pediatric菌株中报道携带4型ccr复合物和B类mec复合物的SCCmec［10］，其代表菌株HDE288为按照传统的分类方法， 该SCCmec

    Fig.5    Structure of the type V SCCmec

    应该被归为VI型，但根据新协议则应表示为4B。

    4  SCCmec的分布

    I、II和III型SCCmec存在于医院获得MRSA(hospital aquired MRSA，H-MRSA)中，其SCCmec元件，携带多个耐药基因；IV和V型SCCmec则存在于社区获得MRSA(community aquired MRSA，C-MRSA)中，前者一般携带较大的SCCmec元件，并带有多个耐药基因，后者的SCCmec元件一般小而轻便(21～28kb)，除了mecA基因外不携带耐药基因，因此不表现为多重耐药，并且常伴有多种毒力基因，如PVL基因等［14］。带有多个耐抗生素和重金属基因的II型和III型SCCmec更加适合医院环境里的抗生素选择压力；但在社区里，选择压力使菌株倾向于向具有更高的生长率和更易于在人体内繁殖的方向进化，轻便的IV、V型SCCmec相比之下显得更加适应。

    不同类型的SCCmec不仅分布于不同环境，而且在世界不同地区的流行MRSA(EMRSA)菌株携带的SCCmec类型也是不同的。其中，在波兰、斯洛文尼亚和英国流行的EMRSA 3株，在德国、丹麦、瑞士和英国流行的最早发现的MRSA株，在德国和斯洛文尼亚流行的南德国MRSA株以及在比利时、芬兰、法国、德国、葡萄牙、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、英国和美国流行的EMRSA 5株、EMRSA 17株等携带I型SCCmec［16］；在芬兰、爱尔兰、日本和美国流行的New York/Japan株，在芬兰和英国流行的EMRSA16株，在爱尔兰、英国和美国流行的Irish-1株等携带II型SCCmec［3，11］；在比利时流行的MRSA株，在英国流行的EMRSA 7株，在芬兰、德国、希腊、爱尔兰、荷兰、波兰、葡萄牙、斯洛文尼亚、瑞典、英国和美国流行的EMRSA 1株、EMRSA 4株、EMRSA 11株和Vienna株等携带III型SCCmec［16］；在法国、葡萄牙、英国和美国流行的Pediatric株，在芬兰、法国、德国、爱尔兰、荷兰、英国和美国流行的EMRSA 2株和EMRSA 6株，在德国、爱尔兰、瑞典和英国流行的EMRSA 15株，在比利时、芬兰、德国和瑞典流行的Berlin株，在德国和英国流行的EMRSA10株等携带IV型SCCmec［16］；在澳大利亚流行的MRSA株携带V型SCCmec［17］。在亚洲，、印度、泰国、沙特阿拉伯、新加坡和越南等大多数国家分离的MRSA株携带III型SCCmec，而仅在日本和韩国分离的MRSA株则携带II型SCCmec［7］。

    SCC与SCCmec不仅存在于MRSA中，也广泛存在于凝固酶阴性葡萄球菌(methicillin-resistant coagulase-negative staphylococci，MRC-NS)以及各种葡萄球菌中。2001年，Katayama等在溶血葡萄球菌GIFU12263中发现不携带mecA基因的SCC12263［18］；2003年，Katayama等对91株MRC-NS进行检测，结果显示42株携带A类mec复合物，为II型或III型SCCmec；16株携带B类mec复合物，为I型SCCmec［19］；同年，Hisata等通过对从日本健康小儿分离获得的MRC-NS进行研究发现，MRC-NS广泛分布于社区，绝大多数携带IV型SCCmec［2］；2004年，Ito等报道约30株溶血葡萄球菌携带V型SCCmec［8］。

    5  SCCmec的进化

    国际上流行的MRSA菌株，根据其不同的起源及进化路线可以分为5个克隆复合组(clonal complex，CC)：CC5、CC8、CC22、CC30和CC45。Enright等通过对大量MRSA菌株的7个sas基因进行测序，并综合多位点序列分型(MLST)的结果，提出了MRSA的进化路线如下［20］：在CC5中，起源菌株ST5-MSSA通过获得IV型SCCmec进化为在葡萄牙流行的ST5-MRSA-IV；ST5-MSSA通过获得II型SCCmec进化为日本和美国流行的New York/Japan株(ST5-MRSA-II)；ST5-MSSA通过获得I型SCCmec进化为EMRSA3(ST5-MRSA-I)和南德国流行株(ST228-MRSA-I)。在CC8中，起源菌株ST8-MSSA通过获得III型SCCmec进化为EMRSA1，4，7，11(ST239-MRSA-III)，EMRSA9(ST240-MRSA-III)；ST8-MSSA通过获得I型SCCmec进化为EMRSA8(ST250-MRSA-I)和EMRSA5(ST247-MRSA-I)；ST8-MSSA通过获得IV型SCCmec进化为EMRSA2，6(ST8-MRSA-IV)和EMRSA10(ST254-MRSA-IV)。在CC22中，起源菌株ST22-MSSA通过获得IV型SCCmec进化为柏林流行株和EMRSA15(ST22-MRSA-IV)。在CC30中，起源菌株ST30-MSSA通过获得II型SCCmec进化为在英国和芬兰等地流行的EMRSA16(ST36-MRSA-II)。在CC45中，起源菌株ST45-MSSA通过获得IV型SCCmec进化为在德国流行的柏林株(ST45-MRSA-IV)。总的来说，各种MRSA都是由MSSA通过重组酶CcrA和CcrB的位点特异性重组作用，在开放阅读框orfX的3′端插入不同类型的SCCmec，从而进化为不同的MRSA流行菌株。

    SCCmec是一种仅存在于葡萄球菌属的基因岛，是SCC家族中唯一携带β-内酰胺类抗生素耐药基因mecA的新型移动基因元件。SCCmec通过重组酶CcrA和CcrB的位点特异性重组作用，可以使多种耐药和耐重金属基因嵌入到SCCmec中；同时不同类型的重组酶CcrA和CcrB催化相应的SCCmec进行精确的切除和整合作用，从而使其能在不同的葡萄球菌属中交换基因信息。金葡菌正是通过这种捕获外源基因和菌属间交换基因信息的方方式迅速适应周围变化的环境和抗生素选择压力。

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