整合子：它包含什么以及它的作用是什么？

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关键词

移动遗传元件，1类整合子，水平或侧向基因转移，同源重组，转座，转化，接合，转导，抗生素抗性。

介绍

整合子是能够获取和重排嵌入在基因盒单元中的开放阅读框（ORF），并通过确保其正确表达将其转化为功能基因的遗传元件。它们因其在抗生素抗性传播中的作用而广为人知，尤其是在革兰氏阴性细菌病原体中。

随着在数百种细菌物种的基因组中发现了染色体整合子 (CI) 结构，其作用已得到扩展。整合子是染色体元件，其向质粒的转移是由转座子和抗生素的广泛使用所促进的。

整合子存在于所有环境中，可以在进化时间范围内在物种和谱系之间移动，并且可以访问大量的功能大部分尚未确定的新基因库。

在过去的十年中，对自然环境中整合子多样性的探索表明，它们不仅仅是抗生素耐药病原体的奇特特征，而是在细菌适应和基因组进化中发挥着更普遍和更重要的作用。

出现

整合子可以作为移动遗传元件（如质粒和转座子）的一部分被发现。整合子也可以在染色体中发现。

术语

整合子一词已被用于各种盒阵列长度或细菌染色体（质粒）上的整合子。位于细菌染色体上的整合子称为久坐型染色体整合子，而与转座子或质粒相关的整合子则称为移动整合子。

整合子的结构

所有整合子都共享三个基本核心特征，其组合活动捕获并随后表达外源基因作为基因盒的一部分。

• 编码位点特异性重组酶的基因：intI，属于整合酶家族。
• 近端重组位点：attI，整合酶识别该位点，基因盒可插入其中。
• 启动子：Pc，指导盒编码基因的转录。

基因盒

整合子通常包含一个或多个已整合到其中的基因盒。基因盒可能编码抗生素抗性基因，尽管整合子中的大多数基因都未被鉴定。attC 序列是侧翼盒并使盒能够整合到 attI 位点、切除并进行水平基因转移的重复序列。

功能

盒的维持需要将其整合到复制元件（染色体、质粒）中。整合子编码的整合酶优先催化两种类型的重组反应

• attC x attC，导致盒切除。
• attI x attC，允许盒整合到整合子的 attI 位点。

插入后，盒在细胞分裂过程中得以维持。基因盒的连续整合导致一系列盒的形成。最后整合的盒最靠近 attI 位点的 Pc 启动子。IntI 催化的重组模式涉及结构化的单链 DNA，并赋予 attC 位点识别模式独特的特性。

基因盒在整合子内的整合还提供了一个 Pc 启动子，允许表达阵列中的所有盒，就像操纵子一样。然后，盒的基因表达水平是其前面盒的数量和性质的函数。

2009 年，Didier Mazel 及其团队表明，IntI 整合酶的表达受细菌 SOS 反应控制，从而将这种适应性机制与细菌的应激反应联系起来。

当今的整合子：抗生素耐药性的兴起

整合子是抗生素耐药性传播的主要参与者，尤其是在革兰氏阴性病原体中。共有五类“移动”整合子，所有这些都与抗生素耐药性有关：1 类、2 类和 3 类，通常从临床环境中回收；4 类，发现于霍乱弧菌的 SXT 元件上；5 类，发现于鲑鱼弧菌的 pRSV1 质粒上。

• 1 类整合子作为抗生素耐药性载体的起源
• 2 类临床整合子的起源
• 3 类临床整合子的起源

未来的整合子

DNA 元件已进入多种细菌宿主，包括共生菌和病原菌，这些细菌又已定殖于人类、伴侣动物及其家畜中。

结果是，整合子、它们的抗生素抗性基因以及它们所驻留的移动 DNA 元件已在人类主导的生态系统中广泛分布、高度多样化且丰富。整合子能够精巧地采样和表达生物圈中任何潜在的基因，并且可以在不扰乱现有基因的情况下做到这一点。因此，它们能够通过快速产生遗传变异来促进对变化的环境条件的适应。

这使得含有整合子的细胞能够克服人类控制细菌生长的策略，但也为基因勘探和构建新的生物合成途径提供了丰富的机遇。

结论

整合子是具有获取、重排和表达从微生物泛基因组中采样的多种基因能力的非凡遗传平台。整合子远不止是临床关注的奇特现象。

它们是一种古老的、多样化的和广泛存在的机制，用于产生基因组新颖性和触发细菌的适应性反应。它为生物技术提供了一个强大的平台，可以使用整合子活性来访问、操纵和表达任何潜在的基因。

它还将提高使用整合子作为合成生物学平台的潜力。它有可能带来更好的健康结果、更好的环境管理以及对微生物进化广阔范围的更好理解。