甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌SCCmec耐药元件及其菌株间水平转移机制

于俊媛， 张雯庆， 祁 琳， 李 萌， 黎 庶

·综述·

甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌SCCmec耐药元件及其菌株间水平转移机制

于俊媛， 张雯庆*， 祁 琳*， 李 萌**， 黎 庶

葡萄球菌盒式染色体元件； 金黄色葡萄球菌盒式染色体重组酶； 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌； 基因水平转移

金黄色葡萄球菌（金葡菌）是人及动物正常菌群的重要组成成分。部分金葡菌可导致疾病，引起皮肤、黏膜等处的化脓性感染，甚至导致菌血症、中毒性休克综合征等危及患者生命的严重疾病，是医院感染和社区获得性感染的重要病原菌之一。自1961年出现以来，耐甲氧西林金葡菌（MRSA）的感染率逐年攀升［1］。据估计，2005年美国因MRSA感染死亡的住院患者总数已超过同年因肝炎和艾滋病（AIDS）死亡的人数之和［2］；在我国，2012年医院细菌耐药监测资料显示金葡菌分离株中MRSA的平均检出率为47.9%［3］。MRSA感染已经成为严重的全球性公共卫生问题。

MRSA的出现源于基因组上一个可移动遗传元件——葡萄球菌盒式染色体元件（staphylococcal cassette chromosome，SCC）的获得，菌株也因此获得针对包括甲氧西林在内的多种抗菌药物的耐受能力［4］。SCC元件可在不同MRSA菌株之间水平转移，进而导致金葡菌耐药性的传递与播散。金葡菌盒式染色体重组酶（cassette chromosome recombinase，Ccr）则在此转移过程中发挥着重要作用。本文即针对MRSA SCC元件及其由Ccr介导的菌株间转移作一综述。

1 SCCmec元件的结构

MRSA SCC元件整合于MRSA菌株基因组复制起始点附近，全长约21～67 kb，由mec复合体区域、ccr复合体区域以及非mec非ccr高变区域（junkyard regions，J区）3部分组成，与编码金葡菌碱基转移酶的orf X基因3'-末端存在15 bp的重合（图1）［4-5］。

mec复合体区域由mecA基因、mecA表达调控基因（包括调节基因mecR1和抑制基因mecI）及位于其上下游的一些插入序列（如IS431、IS1272等）组成。mecA基因编码一种新型的青霉素结合蛋白PBP2a（PBP2'），PBP2a与甲氧西林的亲合力低于内源性青霉素结合蛋白PBP2，能替代被甲氧西林抑制的PBP2蛋白行使转肽酶及转糖基酶活性，维持细菌细胞壁的合成，干扰甲氧西林抗菌作用的发挥，使细菌获得针对β内酰胺类抗生素的耐药性，故SCC元件也称为SCCmec元件［6］。mecI和mecR1共同调控mecA基因的表达，但对临床分离的绝大多数MRSA而言，mecI基因常常缺失或突变，mecR1也呈现出不同程度的残缺和不完整［4］。根据mecA基因调控元件的完整性及插入序列的不同，mec复合物可分为A～E 5类，见表1［7］。

图1 SCC mec元件的基本结构（引自文献4）

表1 mec复合物分类

ccr复合体区域由ccr基因及包绕其左右的序列组成。ccr基因编码的位点及方向特异性重组酶（即Ccr），属于丝氨酸重组酶家族，参与SCCmec元件从MRSA供体菌基因组上精确切离过程并能介导游离SCCmec元件以正确的方向整合入受体菌基因组中，在SCCmec元件的水平转移过程中发挥着重要的作用。根据碱基序列同源性，Ccr编码基因可分为ccrA、ccrB和ccrC3类［7-8］。其中，ccrA和ccrB基因位于同一个基因操纵子中，常以异源二聚体的形式存在。ccrAB基因可进一步分为4个亚型（ccrA1B1～ccrA4B4），各亚型之间碱基同源性在50%～85%。而ccrC基因的碱基组成则较为保守，同源性大于 87%，故目前仅划定一种类型，即ccrC1［8］。

J区是指SCCmec元件上除了mec和ccr复合体外的区域，是SCCmec元件的非必需组分，包含大量的假基因及转座、插入序列，是SCCmec元件划分亚型的依据。J区中携带着多种抗生素耐药决定簇（如Tn554携带介导红霉素、链霉素耐药的基因；PUB110带有博来霉素、妥布霉素耐药基因；Tn4001转座子中aacA-aph D基因介导氨基糖苷类抗生素耐药；而PT181则与四环素耐药密切相关等），因而，除耐甲氧西林外，SCCmec元件的存在使 MRSA菌株同时获得对四环素类、氨基糖苷类、β内酰胺类、大环内酯类等多种抗生素的耐药能力［4］，SCCmec元件也被称作金葡菌的抗生素耐受岛（drug-resistant genomic island），是MRSA等耐药菌具有多重耐药性的重要原因，也使得 MRSA感染的临床治疗成为目前临床医学所面临的巨大难题。

2 SCCmec元件分类

依据mec复合体组成及ccr复合体类型的不同，以及被发现的先后顺序，目前已鉴定出11种不同的SCCmec亚型（SCCmecⅠ～Ⅺ），见表2、图2［4，9］。

3 SCCmec元件的转移

SCCmec元件在金葡菌染色体中并不是稳定存在的。即使是在正常生长状态下，SCCmec元件也可自发从 MRSA基因组中脱落，头尾相连形成闭合环状结构游离于菌体细胞内，环化的SCCmec元件可以在不同种属葡萄球菌之间水平转移，是一种可移动遗传元件，所编码的多重耐药性也得以在不同MRSA菌株间转移与播散［10-11］。

多项研究显示，SCCmec元件的水平转移与该元件编码的Ccr重组酶密切相关［12］。细菌体内Ccr AB重组酶的过表达能显著提高SCCmec元件的解离率（the frequency of excision）［13］。Misiura等［8］分析认为，SCCmec元件的整合或切离过程包括以下步骤；①外源性环状SCCmec元件进入细菌体内，Ccr启动表达，特异性识别并结合位于MRSA菌株基因组复制起始位点附近的attB序列（与MRSAorf X基因3'-末端有15 bp的碱基重叠）以及位于游离的环状SCCmec元件上的attSCC序列；②通过Ccr介导，attB序列和attSCC序列彼此靠拢；③借助Ccr的切离酶（excisionase）活性，attB及attSCC DNA片段断裂进而发生180°旋转，彼此交换一半的DNA序列，形成2个杂合的新型att位点；att L位点（由attB位点的5'-端序列及attSCC位点的3'-端序列组成）及attR位点（由attSCC位点的5'-端序列及attB位点的3'-端序列组成）；④Ccr发挥整合酶活性，催化SCCmec元件插入细菌基因组中（此时，SCCmec元件两端的att位点分别为att L位点和attR位点），金葡菌因此获得SCCmec元件编码的新的生物学特征，由MSSA转变为MRSA。反之，则为MRSA基因组SCCmec元件的切离过程。见图3。

表2 SCC mec元件分类

图2 MRSA SCC mecⅠ-Ⅺ组成模式图（引自文献4）

图3 SCC mec元件整合/切离模式图（引自文献8）

在Ccr AB参与的SCCmec元件切离/整合过程中，Ccr A亚基主要发挥DNA识别结合功能，能特异性识别attB及att L位点5'-端与基因组orf X基因重叠的序列（图3中深蓝色DNA片段），从而确定SCCmec元件插入或切离的部位［8］。CcrB亚基则发挥整合酶或切离酶的功能，催化SCCmec元件插入与切离脱落过程的发生。研究显示，当CcrB蛋白单独表达时，CcrB能催化两端序列分别为attSCC×attSCC、attSCC×attR及attR×attR的SCCmec元件的切离与插入；而当Ccr A、CcrB亚基同时表达时，除两端序列分别为attB×attB、att L×att L、attB×att L的组合外，其余类型的SCCmec元件均能被正确的切离与插入。CcrB亚基识别重组位点的非特异性，使得其他具有与SCCmecatt位点相似序列的移动元件均可能在Ccr作用下插入到MRSA基因组的att L与attR位点之间，使MRSA菌株能快速获得新的基因及生物学性状，有利于MRSA的进化及对生存环境的快速适应。同时，这也是SCCmec元件具有多样性，逐步进化形成21～67 kb的SCCmec超家族的重要原因［8］。

4 Ccr的表达调控

通常情况下，SCCmec元件自发切离频率极低。Stojanov等［14］对ccrAB基因启动子的研究显示；一个MRSA培养物中，绝大多数菌株ccrAB基因启动子的活性处于抑制状态，仅1%～3%细菌能表达Ccr。这部分细菌的SCCmec元件就能在Ccr作用下从基因组上切离、脱落下来并转移到新的菌株中，使细菌的耐药性得以传递。而对于那些ccrAB基因启动子处于激活状态的 MRSA菌株而言，其对数生长期ccrAB基因启动子的活性明显高于平台期；并且，高温（如42℃）、培养条件（如不同培养基）、生存环境、细菌遗传背景、丝裂霉素及某些抗菌药物（如苯唑西林、头孢西丁、氨苄青霉素等β内酰胺类抗生素及万古霉素）的使用均可影响ccrAB基因启动子活性的高低，进而影响 Ccr的表达［14-15］，提示ccr基因启动子的激活受着严格的调控，只是调控的具体分子机制至今仍不清楚。Stojanov等［14］曾将克隆了ccrAB基因启动子的质粒转入SCCmec元件缺失的MRSA N315突变株体内，ccrAB基因启动子能正常激活并启动报告基因的表达，提示MRSA SCCmec元件中不含有能调节ccrAB基因启动子活性的基因，SCCmec元件及表达产物不参与Ccr的表达调控；Stojanov等［14］也曾分析MRSA的核心基因组及SCCmec元件序列，没有找到类似调节枯草芽孢杆菌ICEBs1基因岛切离插入所需的阻遏/反阻遏调控系统（repressor/antirepressor system）［14］；也未能在ccrAB基因启动子区域发现RNA聚合酶核心酶σ因子的特异性结合位点［14］。因而，迄今为止，ccrAB基因的表达调控机制尚有待人们深入研究。对Ccr表达调控机制的深入认识，将进一步阐明MRSA菌株SCCmec元件的水平转移机制，揭示MRSA多重耐药性的播散机制。

［1］ Iwamoto M，Mu Y，Lynfield R，et al.Trends in invasive methicillin-resistantStaphylococcus aureusinfections［J］.Pediatrics，2013，132（4）；e817-e824.

［2］ DeLeo FR，Chambers HF.Reemergence of antibiotic-resistantStaphylococcus aureusin the genomics era［J］.J Clin Invest，2009，119（9）；2464-2474.

［3］ 汪复，朱德妹，胡付品，等.2012年中国CHINET细菌耐药性监测［J］.中国感染与化疗杂志，2013，13（5）；321-330.

［4］ Hiramatsu K，Ito T，Tsubakishita S，et al.Genomic basis for methicillin resistanceinStaphylococcusaureus［J］.Infect Chemother，2013，45（2）；117-136.

［5］ Boundy S，Safo MK，Wang L，et al.Characterization of theStaphylococcus aureusrRNA methyltransferase encoded byorf X，the gene containing the staphylococcus chromosome casstte mec（SCCmec）insertion site［J］.J Biol Chem，2013，288（1）；132-140.

［6］ Xia J，Gao J，Kokudo N，et al.Methicillin-resistantStaphylococcusaureusantibiotic resistance and virulence［J］.Biosci Trends，2013，7（3）；113-121.

［7］ Hanssen AM，Ericson Sollid JU.SCCmecin staphylococci；genes on the move［J］.FEMS Immunol Med Microbiol，2006，6（1）；8-20.

［8］ Misiura A，Pigli YZ，Boyle-Vavra S，et al.Roles of two large serine recombinases in mobilizing the methicillin-resistance cassette SCCmec［J］.Mol Microbiol，2013，88（6）；1218-1229.

［9］ International Working Group on the Classification of Staphylococcal Cassette Chromosome Elements（IWG-SCC）.Classification of staphylococcal cassette chromosomemec（SCCmec）；guidelines for reporting novel SCCmecelements［J］.Antimicrob Agents Chemother，2009，53（12）；4961-4967.

［10］ Boundy S，Zhao Q，Fairbanks C，et al.Spontaneous staphylococcal cassette chromosomemecelement excision inStaphylococcus aureusnasal carriers［J］.J Clin Microbiol，2012，50（2）；469-471.

［11］ Bloemendaal AL，Brouwer EC，Fluit AC.Methicillin resistance transfer fromStaphylococcus epidermidisto methicillin-susceptibleStaphylococcus aureusin a patient during antibiotic therapy［J］.PLoS One，2010，5（7）；e11841.

［12］ Wang L，Archer GL.Roles of Ccr A and CcrBin excision and integration of staphylococcal cassette chromosomemec，aStaphylococcus aureusgenomic island［J］.J Bacteriol，2010，192（12）；3204-3212.

［13］ Noto MJ，Archer GL.A subset ofStaphylococcus aureusstrains harboring staphylococcal cassette chromosomemec（SCCmec）type IV is deficient in Ccr AB-mediated SCCmecexcision［J］.Antimicrob Agents Chemother，2006，50（8）；2782-2788.

［14］ Stojanov M，Sakwinska O，Moreillon P.Expression of SCCmeccassette chromosome recombinases in methicillin-resistantStaphylococcus aureusandStaphylococcus epidermidis［J］.Antimicrob Chemother，2013，68（4）；749-757.

［15］ Higgins PG，Rosato AE，Seifert H，et al.Differential expression of ccr A in methicillin-resistantStaphylococcusaureusstrains carrying staphylococcal cassette chromosomemectype II and IVa elements［J］.Antimicrob Agents Chemother，2009，53 （10）；4556-4558.

The staphylococcal cassette chromosome mec（SCC mec）element ofS.aureusand its horizontal transfer

YU Junyuan，ZHANGWenqing，QI Lin，LI Meng，LI Shu.（Department of Microbiology，the Third Military Medical University，Chongqing 400038，China）

R378.11

A

1009-7708（2015）02-0180-04

2014-04-16

2014-09-09

国家自然科学基金（31470241）；重庆市自然科学基金（cstc2011jjA10050，CSTC 2011BB5026）；第三军医大学基础部本科生‘创新杯’奇思妙想活动资助项目（jc2013049）。

第三军医大学基础部微生物学教研室，重庆400038；*护理学院；**学员11营。

于俊媛（1989—），女，硕士，主要从事耐甲氧西林金黄色葡萄球菌耐药机制研究。

黎庶，E-mail；lishu72®aliyun.com。