综述：细菌适应性与致病性中基因组岛的新兴概念

本文系统探讨了基因组岛（GEIs）作为细菌进化与适应性关键载体的作用机制，重点分析了其通过水平基因转移（HGT）获得的致病性岛屿（PAIs）、抗生素抗性岛屿等功能类型，为理解微生物进化、耐药性（如E. coli和Salmonella的毒力因子）及环境适应性提供了重要视角。

　　

Abstract

基因组岛（Genomic Islands, GEIs）是通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）获得的特殊DNA片段，驱动细菌进化与适应。这类岛屿包括致病性岛屿（Pathogenicity Islands, PAIs）、共生岛屿、抗生素抗性岛屿、异生物质降解岛屿和固氮岛屿等。它们通过提升细菌致病性、共生能力、抗生素抗性和代谢多样性显著促进遗传多样性。GEIs具有与核心基因组不同的GC含量、密码子使用偏好和整合位点特征。随着基因组测序与生物信息学的发展，对Salmonella、Vibrio、E. coli等细菌中GEIs的研究日益深入，为微生物进化、致病机制及抗生素抗性研究提供了新见解。

Introduction

1990年，研究人员在Escherichia coli中发现某些菌株携带特有的毒力基因簇，而其他菌株则缺失这些区域，由此提出了“致病性岛屿”（PAIs）的概念。后续研究扩展至抗生素抗性、共生等机制，统称为“基因组岛”（GEIs）。GEIs指通过近缘菌株间水平转移获得的染色体片段，通常大小在10–200 kb之间（小于10 kb的称为“基因组小岛”），其结构包含转座子、整合质粒、接合性整合元件（ICEs）及介导整合的整合酶基因。GEIs是细菌遗传变异的重要来源，除HGT外，还包括点突变积累和基因组重组。

GEIs具有与宿主基因组不同的GC含量、密码子使用频率和基因组织方式（Fig. 1），其整合常发生在保守的tRNA或rRNA基因下游，由attL和attR位点通过位点特异性重组完成（Fig. 2）。它们通常携带插入序列（IS元件）、转座子或噬菌体残留序列，表明其外源起源。GEIs在细菌中分布有限，仅存在于部分近缘菌株中，是进化研究的热点领域。

Mechanisms of GEI stability

GEIs作为外源DNA，需克服宿主防御机制以维持稳定。其稳定性机制包括：

1. 1.

   限制-修饰（R-M）系统：通过甲基化修饰保护自身DNA免受宿主限制酶切割；

2. 2.

   位点特异性重组：由整合酶介导的可逆 excision/insertion 机制；

3. 3.

   毒素-抗毒素（TA）系统：确保垂直遗传时不会丢失；

4. 4.

   复制分区控制：与宿主复制机制协同维持拷贝数。

Types of GEIs

根据功能，GEIs可分为以下几类（Fig. 2）：

• •

  致病性岛屿（PAIs）：携带毒力因子（如毒素、黏附素）；

• •

  抗生素抗性岛屿：集中耐药基因（如β-内酰胺酶基因）；

• •

  共生岛屿：协助宿主与真核生物建立共生关系；

• •

  代谢岛屿：参与异生物质降解或氮、硫等元素循环。

Functions of GEIs

GEIs通过HGT为宿主提供适应性优势，包括：

• •

  增强致病性：编码毒素、侵袭蛋白等毒力因子；

• •

  抗生素与金属抗性：提供耐药基因（如mecA、vanA）；

• •

  环境适应：降解污染物或适应极端pH/温度；

• •

  代谢扩展：新增碳源利用或次级代谢途径。

GEIs in pathogenic bacteria

重点病原菌中的GEIs研究示例：

• •

  尿路致病性E. coli：PAIs携带α-溶血素、P菌毛基因；

• •

  Salmonella：SPI-1和SPI-2岛屿调控宿主细胞侵袭；

• •

  Vibrio cholerae：VPI-1编码霍乱毒素与菌毛；

• •

  Helicobacter pylori：cag PAI与胃癌发生相关；

• •

  Bacillus anthracis：pXO1/pXO2质粒携带炭疽毒素基因；

• •

  Mycoplasma：GEIs参与免疫逃逸与宿主适应。

Conclusion and future perspectives

GEIs研究揭示了细菌通过基因组缩减、HGT和重组突变三大进化途径实现快速适应（Fig. 4）。未来需结合多组学与单细胞技术，解析GEIs的动态调控机制，并开发更精准的计算预测工具（如深度学习模型），以应对抗生素耐药性与新兴病原体的挑战。