Nat Microbiol:病原菌质粒可移动性——oriT序列多样性分析

文摘   2024-12-11 09:02   瑞士  

原文献信息:Ares-Arroyo, M.; Nucci, A.; Rocha, E. P. C. Expanding the diversity of origin of transfer-containing sequences in mobilizable plasmids. Nat Microbiol 2024.
摘要:
接合质粒(Conjugative plasmids)是细菌进化的重要驱动力。大多数质粒缺乏接合相关基因和已知的转移起始位点(oriT),这限制了我们对质粒可动性的理解。在本研究中,我们通过生物信息学分析对38,057个质粒中的已知oriT家族的分布进行了表征,发现大多数接合性和可移动性质粒缺乏可识别的oriT序列。可识别的oriT序列通常位于松弛酶基因上游的间隔区,并与松弛酶类型特异性关联。基于这些标准,我们开发了一种计算方法,用于搜索并在来自病原菌大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌的质粒中识别21种额外的oriT序列家族。序列分析发现,这些oriT序列在2,976个质粒中出现了3,072次,其中许多质粒携带抗菌素抗性基因。通过实验验证了6个候选oriT序列,它们能够在大肠杆菌中促进接合。研究结果扩展了我们对质粒可动性的理解。

主要结果:

1. 大多数质粒缺乏可识别的转移起始位点

研究表明,在38,057个细菌质粒中,仅25%的质粒具有可识别的转移起始位点(oriT),且这些oriT主要集中于少数常见家族。质粒被分类为接合性质粒、退化的接合性质粒、编码松弛酶的质粒和缺乏松弛酶的质粒。已知oriT在接合性质粒中的发现率不到45%,在其他类型质粒中的分布率更低。缺乏oriT的质粒往往更大,可能来自接合机制尚未被完全表征的分类群。即便在接合机制已被识别的分类群中,仍有大量质粒中的oriT无法被识别。这些结果表明,我们对大多数oriT的了解仍然有限。

2. 已知转移起始位点的共同特征

已知oriT多位于质粒的基因间区域,这些区域通常较大,且含有与oriT相关的nic位点和蛋白结合域。oriT与特定的MOB类型相关联,通常位于松弛酶基因的上游,距离较短。尽管大多数oriT遵循这一规则,但少数oriT位置异常,可能是由于插入或测量误差所致。oriT与松弛酶之间的距离取决于MOB类型和基因组结构。这些特征可用于搜索先前未被识别的oriT,尽管我们对大多数oriT的了解仍然有限。系统表征oriT与松弛酶的位置关系,有助于发现新的oriT家族。

3. RAM介导的生物能抑制是可调的,不依赖于外排泵,并影响对多种抗生素的耐受性

基于oriT位于松弛酶基因上游的推测,从大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌的质粒中提取非编码序列,并进行聚类分析。在1,133个序列中,220个序列被归为21个最有可能的候选oriT区域。这些候选oriT区域与pCONJ或pMOB特异性关联,且位于各MOB类型松弛酶的预期位置。大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的oriT可能共享相同质粒家族,而鲍曼不动杆菌的oriT则几乎总是物种特异性的。候选oriT区域具有与已知oriT相似的特征,如nic位点和DNA发夹结构,且相似松弛酶的质粒对往往具有相同类型的oriT。系统发育分析显示,新发现的oriT区域补充了先前已知区域的分布,覆盖了几乎所有的MOB多样性。

4. 候选的oriTs已被确认是功能性的

为验证候选oriT的功能性,研究将9个推定oriT区域插入非转移克隆载体,并转化到大肠杆菌中。结果显示,6个oriT区域成功回收接合子,包括来自大肠杆菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌的oriT。部分质粒显示出较高的接合效率,其中来自鲍曼不动杆菌的三个oriT在接合实验中表现突出。值得注意的是,未观察到阴性对照的接合子。此外,添加推定的辅助基因到与MOBQ相关的oriT中,在某些情况下提高了接合率,但在其他情况下无改善。这些结果证实了候选oriT的功能性。

5. 接合动员大多数质粒

研究在38,057个质粒中搜索了21个未识别的oriT家族,发现2,975个质粒中包含3,072个推定oriT,其中98%之前未被识别。通过结合已知oriT,可在超过80%的目标复制子中鉴定出它们。在肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌中,包含推定oriT的质粒比例显著增加。一些包含oriT的质粒家族编码了许多抗生素耐药基因。然而,仍有部分质粒缺乏可识别的移动机制,其中一些可能是通过基因丢失由更大的质粒演化而来,一些非可转移质粒家族的存在也表明存在其他未知的移动性机制。

文中图表:    

   

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