肺炎克雷伯菌基因组岛的功能研究与比较分析

条件致病肺炎克雷伯菌是医源性感染最重要革兰氏阴性菌之一，耐药性日益严重。比较分析发现不同来源的肺炎克雷伯菌，除了拥有保守染色体骨架外，还有一些菌株特异的、通过水平转移获得的基因组岛。岛上所携带的外源基因有助于维持细菌在特定生态环境中获得优势。本课题在系统分析肺炎克雷伯菌环境和临床菌株中基因组岛功能的基础上，研究岛在染色体的特异性整合及其在相同tRNA基因位点间跳跃的潜在机制。另一方面，分析宿主对外源基因组岛的调控，如宿主通过毒素-抗毒素系统来维持岛的稳定性，及借助简单序列重复来调控外源基因的表达。通过以上两方面来探讨宿主和外源DNA片段相互作用及共进化等问题，以期为肺炎克雷伯菌致病性和耐药性传播等研究提供新思路。

病原细菌耐药性日益增加和广泛播散，已成为全球关注的公共卫生问题。肺炎克雷伯菌是院内感染最重要的多重耐药条件致病菌之一。除了常报道的质粒介导耐药性播散，多重耐药病原菌可借助整合在染色体上的整合子、转座子和基因组岛等可移动遗传元件快速地获得致病和耐药等新性状。基因组岛在不同种属细菌中广泛分布，尤其在肠杆菌科细菌的适应性进化中扮演了重要的角色。本项目考查了肺炎克雷伯菌基因组岛tmGI_Kp35在临床菌株的分布；该岛大小为36 kb，编码了一个新的原噬菌体，发现了该岛广泛出现在10个已全测序的肺炎克雷伯菌基因组和35个不同来源的肺炎克雷伯菌临床株中。本项目重点研究了属于中国流行克隆群（ST11分型）、碳青霉烯类耐药的肺炎克雷伯菌HS11286。该菌株染色体的tRNA-Asn基因位点插入了一个62 kb的基因组岛ICEKpnHS11286-1, 编码重要致病因子--耶尔森杆菌素(铁载体)的合成、转运和调节。采用“干-湿”结合方法分析了ICEKpnHS11286-1的转移特性，发现了ICEKpnHS11286-1可低频率自行转移，整合在受体菌染色体的不同tRNA-Asn基因位点；识别和实验验证了该岛的转移起始位点oriT及VI型分泌系统介导的接合转移模块。本项目还预测和验证了肺炎克雷伯菌HS11286染色体中5对II型毒素-抗毒素系统，发现了在肺炎克雷伯菌广泛存在的、一对新的II型毒素-抗毒素系统；识别和鉴定了肺炎克雷伯菌HS11286中具有细菌细胞间拮抗作用的VI型分泌系统T6SS-1, 发现了T6SS-1在多利培南和头孢曲松等临床常用抗生素的诱导下行使分泌效应蛋白功能。此外，面对剧增的基因组岛多样性复杂数据，结合实验研究的急切需求，本项目开发了一个生物信息学免费工具 (II型毒素-抗毒素系统预测工具TAfinder) 和两个开放数据库 (VI型分泌系统数据库SecReT4和VI分泌系统数据库SecReT6)，有助于大数据挖掘和辅助实验数据分析。总之，本项目探讨了外源基因组岛对肺炎克雷伯菌基因组进化的影响，将可能为切断可移动遗传元件介导的致病和耐药基因快速传播提供新的思路。