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我们用肺炎克雷伯菌一个70,057bp,GC含量为52.3%,含有95个ORF的环状质粒pKF3-70与其他质粒进行了比较基因组学分析,发现pKF3-70可以分为5个主要的区域:①质粒不兼容分配系统;②质粒复制系统;③质粒接合系统;④质粒转移前导区;⑤可变区。
比较基因组学分析揭示pKF3-70的复制系统,分配系统,接合系统,前导区都与大肠杆菌质粒R100高度相似,暗示pKF3-70的骨架序列,是从一个类似R100的质粒演化而来。质粒pKF3-70复制区的必须元件包括一个149bp的复制起始位点(ori),复制起始蛋白编码基因repAl及其上游的负调节位点copA和copB(repA2),pKF3-70复制区具有与FⅡ不兼容组R100(也称NR1)的复制子区完全一致的序列,而且这个复制系统是pKF3-70上发现的唯一复制系统,这意味着pKF3-70,R100,R1具有一样的复制机制,pKF3-70利用反义RNA的机制实现拷贝数控制,复制方式是具有theta模式的单向复制;质粒pKF3-70的分配系统是一个长达1.56 kb的区域,它的组成元件包括:一段包含十个重复单元的正向重复序列(parC),及其下游的ORF1和ORF2。这个区域与已知的IncFⅡ组质粒R1及R100的parA分配系统在序列十分相似,ORF1 and ORF2组成一个可以共转录的操纵子。ORF1 and ORF2编码的蛋白分别是ParM和ParR,ParM具有ATP酶活性而 The ParR可结合到parC上并借此调节启动子活性。pKF3-70的复制和分配系统都与incFⅡ组的质粒R1和R100十分接近,暗示pKF3-70和这两个质粒很可能是不兼容的。
pKF3-70接合起始区(OriT)包括切口(nick)位点及附近的接合转移调节因子的结合位点。PKF3-70的OriT区分保守区和非保守区,非保守区主要是TraY蛋白的结合位点(sby)。该结合位点非保守性与TraY蛋白序列本身的非保守性有关联,我们发现TraY只是前24个氨基酸残基是非保守的,因此很可能TraY与DNA结合的蛋白域就处于这前24个氨基酸残基中。
我们发现3个类F质粒的接合转移区几乎一致,类F质粒与类W质粒接合系统间的进化距离较大的,但它仍比类F质粒和类P质粒间的距离显得小。pKF3-70所有的推测基因都能在R100及F质粒上找到同源基因。有5个基因(traC,traG,traI,traD and traX)甚至在不同兼容组的质粒上也是保守的,这暗示它们可能参与质粒接合系统的基本构建。各个类F接合系统之间比较分析显示有六个预测基因在R100和pKF3-70中都是保守的,但在F质粒中却不保守。ORF22是这六个预测基因中最长的ORF,编码一个长达286 aa的假设蛋白。在它起始位点上游26bp的位置能预测到一个启动子,用CD-search可以发现其序列有一个磷酸脂酶域,它可能与脂类代谢有关,但还需进一步的研究这个蛋白在质粒接合转移过程当中所起的功能;PKF3-70的前导区长约17.5kb,含有35个预测基因。我们发现前导区包含一些与质粒稳定有关的基因比如一些DNA修饰基因及分离后杀灭基因。与F及R100质粒相比,pKF3-70拥有13个独一无二的基因,它们在R100和F中不存在,其中ORF62可以预测到一个跨膜域,但具体功能未知。
质粒pKF3-70携有耐药基因ctx-m-14,ctx-m-14的上游是一个插入序列ISEcp1,ctx-m-14的下游是一个截断的插入序列IS903,紧邻IS903的下游的是一段20 bp反向重复序列(IRR2),较之插入序列ISEcp1的右侧反向重复序列(IRR1),(IRR2)与插入序列ISEcp1的左侧反向重复序列(IRL)匹配的更好。我们还发现两个5bp的正向重复序列单元正好位于从IRL到IRR2的DNA片段的两侧翼,这两个重复单元很可能是由转座子的插入产生的目标重复序列,由ISEcp1,ctx-m-14,截断IS903及IRR2构成的区域极可能是一个有活性的转座子,该转座子可以介导了耐药基因ctx-m-14的水平基因转移。
质粒pKF3-70中还有铁转运系统,它包括3个OFF,这3个ORF组成一个可以共转录的操纵子,在ORF4上游50 bp、110 bp、94 bp的位置分别有铁摄取调节子(fur)结合位点,一个启动子的-35框“TTGACA”及一个启动子的-10框“TGGCATTAT”,ORF4编码一个预测的胞浆间铁离子结合蛋白,ORF5编码一个预测的透性蛋白,其功能是作为铁离子通道,ORF6编码预测的ATP酶,功能是作为整个铁离子ABC转运自的引擎。eitD(ORF7)基因位于ORF6的下游,它编码的预测蛋白功能是能根据离子功能调节一些小分子物质的转运,因此ORF7进一步加强了质粒pKF3-70的铁离子转运功能;质粒pKF3-70还编码polⅢ-ε同系物的基因,根据比较基因组学研究推测,它可能赋予宿主菌以对紫外线所致突变及自发突变抵抗能力。pKF3-70获得这样一个基因使得他获得更强的环境适应性。
总而言之,肺炎克雷伯质粒pKF3-70,是一个R100质粒的衍生物,并是一个可转移的多重耐药质粒。在对环境的适应过程中pKF3-70在R100质粒的骨架序列基础上,获得了自身的序列特性。