整合子的副作用是什么？

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关键词

细菌基因组、抗生素耐药性病原体、基因组进化、整合子、革兰氏阴性病原体、抗生素耐药性。

介绍

整合子是能够有效捕获和表达外源基因的遗传元件。它们因在抗生素耐药性的传播中，尤其是在革兰氏阴性细菌病原体中的作用而广为人知。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性病原体的一个奇特特征，而且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。

整合子是普遍存在于细菌基因组中的多功能基因获取系统。它们是古老的元件，是基因组复杂性的热点，产生表型多样性并塑造适应性反应。近年来，它们在抗生素耐药基因的获得、表达和传播中发挥了重要作用。评估整合子带来的持续威胁需要了解其起源和进化历史。

它显示了抗生素的使用如何在这些元件的环境库中选择整合子，使得携带耐药基因的整合子现在存在于大多数革兰氏阴性病原体中。文章探讨了人类抗生素使用所组装的新型整合子造成广泛污染的潜在后果，并推测了整合子作为生物技术平台的潜在用途。

未来整合子的副作用

抗生素的广泛使用对携带多个耐药基因的嵌合DNA元件的组装施加了强烈的选择压力。整合子、它们的抗生素耐药基因以及它们所在的移动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。

它们能够通过快速产生遗传变异来促进对不断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会。

整合子和耐药基因作为污染物

抗生素耐药基因和整合子现在被视为重要的环境污染物以及追踪污染源的标志物。来自人类主导生态系统中的耐药基因和整合子可被视为异源基因污染物，因为这些DNA元件是在人类抗生素使用的持续选择压力下组装起来的。

与传统污染物不同，整合子和耐药基因可以复制，因此兼具污染物和入侵物种的特性。耐药基因污染对人类健康的影响已受到相当大的关注，但对其对自然环境的潜在影响的关注较少。

选择性药物污染

当人类或动物接受抗生素治疗时，摄入化合物的30%到90%会被排泄出来污染废水。制药厂还会大量释放抗生素，并在施肥过程中传播。与耐药基因一样，抗生素在水处理过程中也很难去除，一些抗生素在环境中的半衰期很长，导致河流和海洋都被污染。

在水产养殖中使用抗生素会将这些化合物直接添加到水体中，提高当地抗生素的浓度。用抗生素污染水体对环境和健康的影响令人担忧，人们呼吁监测和控制抗生素污染。

自然环境中的选择

接触任何一种选择性药物都会为整个DNA元件带来优势，通过简单的连锁“搭便车”同时选择元件上的所有基因。当耐药基因位于也携带对这些重金属具有耐药性的基因的移动DNA元件上时，接触重金属可以选择性地同时选择抗生素耐药性。

在含有不同耐药元件和不同选择性药物的环境中，质粒可以获得对多种抗生素、消毒剂和金属的耐药基因，同时组装能够作用于其他异源生物的降解途径的基因。由于这些原因，水生环境被认为是产生新型异源基因DNA元件的天然反应器。

新的DNA元件和新耐药菌株的产生

用抗生素和消毒剂污染自然环境会影响群落结构，并导致环境生物中耐药基因携带率增加。人们现在普遍认为，自然环境是耐药生物和潜在机会性病原体的招募地。与临床整合子和选择性药物持续接触会导致环境中耐药细胞数量增加，并对环境生物施加额外的选择压力。

抗生素革命的这些次要的、意想不到的影响将导致全球微生物的进化变化，并可能对人类福祉产生不利后果。

整合子作为生物技术工具

整合子作为生物技术应用平台具有一些显著优势。它们拥有在易于处理的体内系统中获取、重排和表达外源基因的所有机制。天然整合酶活性可用于将功能性基因盒回收至质粒背景中，以便进行进一步的下游操作。可以通过自然转化轻松地将合成和天然基因盒引入细胞。

这潜在地允许任何基因被整合到整合子中。染色体盒阵列是发现新型蛋白质和可能构成构建新型蛋白质灵活组装的构建块的蛋白质折叠的巨大资源。因此，整合子平台可用于通过整合子介导的操纵子工程生成用于生物修复或生物合成的新的生化途径。

增加细菌的可进化性

抗菌化合物的使用推动了包含整合子、耐药基因、转座子和其它移动DNA的越来越复杂的DNA元件在所有人类主导生态系统中的固定。这些异源基因DNA元件与最初驱动其选择的抗生素、消毒剂和重金属一起释放回环境中。

水生环境可能是整合子、耐药决定簇和移动DNA之间复杂相互作用的主要焦点，其中生物膜是基因交换的热点。细菌的遗传多样性是由突变、重组和侧向基因转移产生的。因此，抗生素革命的一个意外后果可能是固定具有内在更高基础突变率、重组率和侧向基因转移率的细菌谱系。

结论

整合子是 remarkable 的遗传平台，能够获取、重排和表达从微生物泛基因组中采样的不同基因。当它们将这种活性用于在临床病原体中传播抗生素耐药性时，它们获取适应性表型的能力受到了高度关注。

它们是产生基因组新颖性和引发细菌适应性反应的古老、多样化和广泛的机制。了解它们的进化和生物学将有助于临床实践和我们管理自然环境的能力。这有潜力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泛进程的更好理解。