整合子的副作用是什麼？

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關鍵詞

細菌基因組、抗生素耐藥性病原體、基因組進化、整合子、革蘭氏陰性病原體、抗生素耐藥性。

介紹

整合子是能夠有效捕獲和表達外源基因的遺傳元件。它們因在抗生素耐藥性的傳播中，尤其是在革蘭氏陰性細菌病原體中的作用而廣為人知。對自然環境中整合子多樣性的探索表明，它們不僅僅是抗生素耐藥性病原體的一個奇特特徵，而且在細菌適應和基因組進化中發揮著更普遍和更重要的作用。

整合子是普遍存在於細菌基因組中的多功能基因獲取系統。它們是古老的元件，是基因組複雜性的熱點，產生表型多樣性並塑造適應性反應。近年來，它們在抗生素耐藥基因的獲得、表達和傳播中發揮了重要作用。評估整合子帶來的持續威脅需要了解其起源和進化歷史。

它顯示了抗生素的使用如何在這些元件的環境庫中選擇整合子，使得攜帶耐藥基因的整合子現在存在於大多數革蘭氏陰性病原體中。文章探討了人類抗生素使用所組裝的新型整合子造成廣泛汙染的潛在後果，並推測了整合子作為生物技術平臺的潛在用途。

未來整合子的副作用

抗生素的廣泛使用對攜帶多個耐藥基因的嵌合DNA元件的組裝施加了強烈的選擇壓力。整合子、它們的抗生素耐藥基因以及它們所在的移動DNA元件已在人類主導的生態系統中廣泛分佈、高度多樣化且豐富。

它們能夠透過快速產生遺傳變異來促進對不斷變化的環境條件的適應。這使得含有整合子的細胞能夠克服人類控制細菌生長的策略，但也為基因勘探和構建新的生物合成途徑提供了豐富的機會。

整合子和耐藥基因作為汙染物

抗生素耐藥基因和整合子現在被視為重要的環境汙染物以及追蹤汙染源的標誌物。來自人類主導生態系統中的耐藥基因和整合子可被視為異源基因汙染物，因為這些DNA元件是在人類抗生素使用的持續選擇壓力下組裝起來的。

與傳統汙染物不同，整合子和耐藥基因可以複製，因此兼具汙染物和入侵物種的特性。耐藥基因汙染對人類健康的影響已受到相當大的關注，但對其對自然環境的潛在影響的關注較少。

選擇性藥物汙染

當人類或動物接受抗生素治療時，攝入化合物的30%到90%會被排洩出來汙染廢水。製藥廠還會大量釋放抗生素，並在施肥過程中傳播。與耐藥基因一樣，抗生素在水處理過程中也很難去除，一些抗生素在環境中的半衰期很長，導致河流和海洋都被汙染。

在水產養殖中使用抗生素會將這些化合物直接新增到水體中，提高當地抗生素的濃度。用抗生素汙染水體對環境和健康的影響令人擔憂，人們呼籲監測和控制抗生素汙染。

自然環境中的選擇

接觸任何一種選擇性藥物都會為整個DNA元件帶來優勢，透過簡單的連鎖“搭便車”同時選擇元件上的所有基因。當耐藥基因位於也攜帶對這些重金屬具有耐藥性的基因的移動DNA元件上時，接觸重金屬可以選擇性地同時選擇抗生素耐藥性。

在含有不同耐藥元件和不同選擇性藥物的環境中，質粒可以獲得對多種抗生素、消毒劑和金屬的耐藥基因，同時組裝能夠作用於其他異源生物的降解途徑的基因。由於這些原因，水生環境被認為是產生新型異源基因DNA元件的天然反應器。

新的DNA元件和新耐藥菌株的產生

用抗生素和消毒劑汙染自然環境會影響群落結構，並導致環境生物中耐藥基因攜帶率增加。人們現在普遍認為，自然環境是耐藥生物和潛在機會性病原體的招募地。與臨床整合子和選擇性藥物持續接觸會導致環境中耐藥細胞數量增加，並對環境生物施加額外的選擇壓力。

抗生素革命的這些次要的、意想不到的影響將導致全球微生物的進化變化，並可能對人類福祉產生不利後果。

整合子作為生物技術工具

整合子作為生物技術應用平臺具有一些顯著優勢。它們擁有在易於處理的體內系統中獲取、重排和表達外源基因的所有機制。天然整合酶活性可用於將功能性基因盒回收至質粒背景中，以便進行進一步的下游操作。可以透過自然轉化輕鬆地將合成和天然基因盒引入細胞。

這潛在地允許任何基因被整合到整合子中。染色體盒陣列是發現新型蛋白質和可能構成構建新型蛋白質靈活組裝的構建塊的蛋白質摺疊的巨大資源。因此，整合子平臺可用於透過整合子介導的操縱子工程生成用於生物修復或生物合成的新的生化途徑。

增加細菌的可進化性

抗菌化合物的使用推動了包含整合子、耐藥基因、轉座子和其它移動DNA的越來越複雜的DNA元件在所有人類主導生態系統中的固定。這些異源基因DNA元件與最初驅動其選擇的抗生素、消毒劑和重金屬一起釋放回環境中。

水生環境可能是整合子、耐藥決定簇和移動DNA之間複雜相互作用的主要焦點，其中生物膜是基因交換的熱點。細菌的遺傳多樣性是由突變、重組和側向基因轉移產生的。因此，抗生素革命的一個意外後果可能是固定具有內在更高基礎突變率、重組率和側向基因轉移率的細菌譜系。

結論

整合子是 remarkable 的遺傳平臺，能夠獲取、重排和表達從微生物泛基因組中取樣的不同基因。當它們將這種活性用於在臨床病原體中傳播抗生素耐藥性時，它們獲取適應性表型的能力受到了高度關注。

它們是產生基因組新穎性和引發細菌適應性反應的古老、多樣化和廣泛的機制。瞭解它們的進化和生物學將有助於臨床實踐和我們管理自然環境的能力。這有潛力帶來更好的健康結果、更好的環境管理以及對微生物進化廣泛程序的更好理解。