微生物组学研究必学知识--细菌毒力岛

细菌毒力岛（Virulence island），又称致病性岛（Pathogenicity island），通常指细菌染色体上一段具有典型结构特征的基因簇，主要编码与细菌毒力及代谢等功能相关的产物。毒力岛与毒力基因是紧密联系的两个不同概念。毒力岛是个群体概念，是对基因群体的研究；而毒力基因则是个体概念，着眼于单个基因。毒力岛是基因组岛，有很多证据表明它是来源于细菌基因的水平转移。引入毒力岛这个概念可以帮助我们探索细菌毒力进化和来源，进而帮助我们从基因组水平上了解新病原发生、发展的规律。

1毒力岛基本特征

（1）毒力岛存在于病原菌染色体上，编码毒力相关基因簇的一个分子量较大的DNA片段(20-100kb左右)；

（2）一些毒力岛两侧具有重复序列(RS)和插入元件(IS)，但是也可以没有;

（3）毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA位点内或附近,或者位于与质粒、噬菌体整合有关的位点;

（4）毒力岛DNA片段的G+C百分比、密码使用与宿主菌染色体具有明显差异;

（5）毒力岛具有不稳定性,并含有一些潜在的可移动成分,如E序列、整合酶、转座酶以及质粒复制起始位点等;

（6）毒力岛编码的基因产物多为分泌性蛋白和细胞表面蛋白，如溶血素、菌毛、血红素结合因子、III型分泌系统、信息传导系统和调节系统等等;

（7）一种病原菌可同时具有一个或几个毒力岛;

细菌毒力岛示意图

DR:同向重复序列；int:整合酶基因；IS:插入元件；V₁-V₄：毒力基因

2毒力岛分类

目前发现的毒力岛根据其G+C百分比与宿主菌的差异，可以分为高G+C毒力岛和低G+C毒力岛。高G+C毒力岛如小肠结肠炎耶尔森菌的毒力岛，低G+C毒力岛常见于大肠杆菌、沙门氏菌及幽门螺杆菌的毒力岛。毒力岛根据编码的产物性质可分为致病性岛和共生岛。

3毒力岛与tRNA位点关系

在已知30几个毒力岛中共有17个在染色体上的t

RNA

位点附近插入,如

sel

C~tRNA位点有UPEC的PA

I1

、EPEC的LEE、沙门氏菌的SPI3、志贺氏菌的SHI-

2

、ETEC的

PAI

₁₀₄₀₇

、STEC的

LPA

等6个毒力岛插入,而同一毒力岛在不同菌株插入的tRNA也可有差异。另外,这些tRNA位点不仅与毒力岛有关,也是一些噬菌体插入细菌染色体的部位,提示tRNA位点的特殊性使其可能成为外源性DNA成分插入细菌染色体的热点。

研究证实,外源成分的获得主要与tRNA基因的3'末端有关，关于tRNA基因的3'末端序列为何与毒力岛相关联,目前共有4种假设：

（1）认为tRNA基因与PAI相邻,使得它所编码的tRNA可以识别仅为PAI所携带而为别处少见的密码子;

（2）认为PAI相关tRNA基因在染色体上往往不止一个拷贝,这种多拷贝性保证了毒力因子可以多次插入;

（3）认为tRNA基因保守的二级结构为PAI的插入和剪切提供了结构域,使得PAI可以水平传播,tRNA基因5'端和3'端互补形成的同向重复序列为整合酶的作用和PAI的插入创造了条件;

(4)认为tRNA基因的作用在于形成一种RNA-DNA杂合体,该结构的高稳定性为DNA重组提供了可能。

4毒力岛在细菌进化中的意义

在细菌的进化过程中，点突变、基因重组和基因的水平转移是主要的推动因素。但是,由点突变所导致的进化过程比较缓慢,而大片段基因的获得和缺失则可使细菌基因在短期内发生“量的飞跃”。毒力岛的产生及获得可能与致病菌具有较一般菌株高的基因突变率和重组效应有关。因此,目前认为毒力岛可能与新出现的病原菌有关。

5.研究毒力岛的方法

（1）条码标记法

（2）差减杂交

（3）特征性差异分析

（4）mRNA功能分析

（5）比较基因组作图

（6）接合介导的DNA插入取代标记法

（7）粘粒克隆测序

（8）毒力岛探查法

6.一些常见的细菌毒力岛图示

（1）尿路致病型大肠埃希氏菌毒力岛

（2）EPEC和EHEC的毒力岛

（3）幽门螺杆菌Cag毒力岛结构

（4）霍乱弧菌的毒力岛

参考文献

【1】叶长芸,徐建国.细菌的毒力岛[J].微生物学通报,2002(04):108-112.

【2】https://wenku.baidu.com/view/9915f5f86d85ec3a87c24028915f804d2a16874b.html