王鵬飛,王穎芳,段廣才,3,王琳琳,郭向嬌,薛澤潤(rùn),郗園林,楊海燕
(1.鄭州大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院流行病學(xué)教研室,河南 鄭州 450001;2.河南科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生教研室,河南 洛陽(yáng) 471003;3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院分子診斷與醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 新鄉(xiāng) 453003)
成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)是近年發(fā)現(xiàn)的一種對(duì)外源核酸片段具有獲得性免疫能力的結(jié)構(gòu),主要由一段不連續(xù)的正向重復(fù)序列和插入其中的間隔序列組成[1]。重復(fù)序列相對(duì)保守,具有回文結(jié)構(gòu),體現(xiàn)細(xì)菌在進(jìn)化中的保守性,間隔序列高度可變,研究[2]顯示間隔序列來(lái)源于外源可移動(dòng)遺傳因子。重復(fù)序列與間隔序列構(gòu)成的單元經(jīng)常被整體刪除,使得CRISPR系統(tǒng)迅速進(jìn)化,一定程度上也反映了細(xì)菌在進(jìn)化中的保守性和包容性[3]。志賀菌引起的細(xì)菌性痢疾(簡(jiǎn)稱菌?。┦且粋€(gè)全球性的公共衛(wèi)生問(wèn)題,尤其對(duì)發(fā)展中國(guó)家造成了重大危害,其引起的感染性腹瀉給我國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)[4-5]。隨著抗生素廣泛應(yīng)用,志賀菌耐藥形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重,且多耐藥菌株也越來(lái)越多,而外源性耐藥基因的獲得,即耐藥基因的水平轉(zhuǎn)移,是細(xì)菌增強(qiáng)耐藥性的主要方式之一[5-7]。CRISPR及其相關(guān)蛋白Cas組成的CRISPR/Cas系統(tǒng),能夠形成特異免疫機(jī)制來(lái)處理外來(lái)遺傳物質(zhì)入侵,可能與致病菌耐藥性的變遷有密切關(guān)系。每個(gè)CRISPR元件的重復(fù)序列對(duì)應(yīng)著一種潛在的CRISPR/Cas靶標(biāo),CRISPR/Cas系統(tǒng)獲得新的間隔序列后,能夠在未來(lái)識(shí)別相應(yīng)的病原體而發(fā)揮作用,故間隔序列是CRISPR/Cas系統(tǒng)最終發(fā)揮功能作用的核心序列元件[8]。目前,國(guó)際上對(duì)細(xì)菌CRISPR研究逐漸增多,本研究針對(duì)實(shí)驗(yàn)室保存的志賀菌株CRISPR序列進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室和數(shù)據(jù)庫(kù)中志賀菌的重復(fù)序列及間隔序列進(jìn)行同源性分析,了解CRISPR的結(jié)構(gòu)特征,探討間隔序列的可能來(lái)源及其與同源質(zhì)?;蚴删w的關(guān)系,為進(jìn)一步揭示CRISPR的結(jié)構(gòu)特征及其作用機(jī)制提供依據(jù)。
志賀菌種(mel-ss2004103/sx、 melsf2007065/hn、S51203)均為河南省分子醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買、收集和保存,9株全基因組志賀菌,菌株基本信息均來(lái)自于NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。見表1。
表1 志賀菌基本信息Tab.1 General informations of Shigella
細(xì)菌基因組提取試劑盒(購(gòu)自上海萊楓生物科技有限公司),酵母浸粉和胰蛋白胨(購(gòu)自英國(guó)Oxoid公司),瓊脂粉(購(gòu)自美國(guó)Sigma公司),水解酪蛋白(Mueller-Hinten,MH)和瓊脂(購(gòu)自上海化學(xué)試劑有限公司),pH精密試紙(購(gòu)自天津市金達(dá)化學(xué)試劑廠),其他常規(guī)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純,液體培養(yǎng)基在本實(shí)驗(yàn)室按配方配制。LabcyCler basic梯度PCR儀(購(gòu)自德國(guó)SensoQuest公司),DYY-Ⅲ2型穩(wěn)壓穩(wěn)流定時(shí)電泳儀和DYC31B型水平電泳槽(購(gòu)自北京六一儀器廠),Gene Genius Bio imaging System(購(gòu)自美國(guó)Syngene公司),THZ-92C臺(tái)式恒溫振蕩器(購(gòu)自上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠),BP221S電子天平(購(gòu)自德國(guó)Sartorius公司),HVE-50型自動(dòng)電熱壓力蒸汽滅菌器(購(gòu)自日本Hirayama公司)。本研究采用的本地軟件及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器包括:Primer premier 5、DNAMAN、ClustalX、Bioedit、CRISPR database (http://crispr.upsud.fr/crispr/)、RNAfoldwebserver(http://rna.tbi.univie.ac.at/cgi-bin/RNAfold.cgi ) 及 weblogo(http://weblogo.berkeley.edu/logo.cgi)。
根據(jù)Database公布的志賀菌的CRISPR信息,依據(jù)側(cè)翼序列進(jìn)行分組比較,選取其中的3組進(jìn)行CRISPR序列的引物設(shè)計(jì),分別為:P1(正向:5′-ACCGCTGGCATCGTTGTTG-3′,反 向:5′-ATGAGCGTGGACGAAGTGC-3′)、P2(正 向:5′-AAGCACAAGGCGGAAGCAG-3′,反 向:5′-ATCCTGACGGGCGACAAAG-3′)和P7(正向:5′-CGCTGTATTATCAGAACACCCG-3′,反 向:5′-GGGCTACGACCCTGAATGGAAT-3′),引 物設(shè)計(jì)采用Primer premier 5軟件。
采用梯度PCR方法確定3對(duì)引物的退火溫度,采用小劑量擴(kuò)增體系,以mel-sf2007065/hn菌株基因組DNA為模板,根據(jù)電泳結(jié)果確定最佳退火溫度T,利用該3對(duì)引物分別對(duì)菌株基因組進(jìn)行CRISPR序列進(jìn)行擴(kuò)增。引物梯度擴(kuò)增體系(12.5μL):10× PCR 反 應(yīng) 緩 沖 液 1.25 μL,dNTPs 2μL,上下游引物各0.5μL,模板DNA 1μL,Taq 酶 0.18 μL,ddH2O 7.07 μL。CRISPR序列擴(kuò)增體系(50μL):10×buffer(含Mg2+)5μL,dNTPs 8μL,上下游引物各2μL,模 板 DNA 4 μL,Taq 酶 0.5 μL,ddH2O 28.5μL。PCR 反應(yīng)條件:94℃ 預(yù)變性 5min;94℃變性60s,退火60s,72℃ 延伸1min,共進(jìn)行32個(gè)循環(huán);最后72℃延伸10min。
委托上海生物工程股份有限公司對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物核酸序列進(jìn)行純化、測(cè)序,獲得測(cè)序結(jié)果后,構(gòu)建出該菌株的CRISPR序列結(jié)構(gòu)以及重復(fù)序列和間隔序列信息。依據(jù)P1、P2和P73對(duì)引物序列,識(shí)別全基因組志賀菌CRISPR序列,獲得相應(yīng)的重復(fù)序列及間隔序列,進(jìn)行多序列比對(duì),分析重復(fù)序列的堿基頻率并對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。分析間隔序列的特點(diǎn),并用BLAST對(duì)間隔序列的同源質(zhì)粒/噬菌體進(jìn)行檢索,并對(duì)其進(jìn)行分析。
分別用P1、P2和P73對(duì)引物對(duì) melsf2007065/hn菌株基因組進(jìn)行梯度擴(kuò)增,退火溫度 梯 度 為 54.6℃、55.5℃、56.7℃、57.9℃、59.3℃、60.7℃、62.1℃、63.3℃、64.5℃和65.4℃。3對(duì)引物擴(kuò)增產(chǎn)物的效率隨著溫度有遞增或遞減,其退火溫度范圍為54.6℃~55.5℃、60.7℃~63.3℃和60.7℃~63.3℃,故確定其最佳退火溫度分別為55℃、62℃和62℃。根據(jù)最佳退火溫度,分別用P1、P2和P7對(duì)3株志賀菌的CRISPR序列進(jìn)行擴(kuò)增,對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序。經(jīng)CRISPRs Finder及多序列比對(duì)進(jìn)行CRISPR序列查找。菌株的CRISPR詳細(xì)信息見表2。
根據(jù)引物序列及實(shí)驗(yàn)室菌株CRISPR信息,獲得12株全基因組志賀菌相應(yīng)的重復(fù)序列及間隔序列模式圖(圖1)。在鮑氏和痢疾志賀菌中,P7-CRISPR序列中僅保存一個(gè)重復(fù)序列片段,P2-CRISPR中僅存在1個(gè)間隔序列。P1-CRISPR與P2-CRISPR廣泛分布在志賀菌的4個(gè)群,其間隔序列的數(shù)目有差異。
2.2.1 不同CRISPR間隔序列的特點(diǎn) 在88、ss046和ss53g的菌株中,P1-CRISPR序列幾乎一致,均存在4個(gè)間隔序列,且間隔序列具有很高的同源性;在其他菌株中,P1類型的間隔序列僅有1個(gè)。僅在P1-CRISPR-88間隔序列的首尾存在個(gè)別堿基的差別,而在P2-CRISPR中卻不存在該情況,2個(gè)間隔序列完全不同,此特點(diǎn)體現(xiàn)出間隔序列的多樣性,含P7-CRISPR的菌株,其間隔序列均相同。見圖2。
表2 志賀菌CRISPR信息Tab.2 CRISPR informations of Shigella
圖1 12株志賀菌CRISPR模式圖Fig.1 CRISPR pattern diagram of 12strains of Shigella
2.2.2 間隔序列與側(cè)翼序列的聯(lián)系 在P1-CRISPR中,第一個(gè)重復(fù)序列上游側(cè)翼序列20bp與spacer 4的末端序列一致,末端重復(fù)序列下游23bp與spacer 4的前端序列一致。在其他菌株的P1-CRISPR中,也存在相同的現(xiàn)象,說(shuō)明此現(xiàn)象的普遍性,可能發(fā)揮著獨(dú)特的功能。在P7-CRISPR同樣存在相似的現(xiàn)象,第一個(gè)重復(fù)序列上游側(cè)翼序列25bp與間隔序列的末端序列一致,但在下游,僅12bp的序列在上游側(cè)翼序列中存在,而在P2-CRISPR中不存在該現(xiàn)象。
圖2 P1-CRISPR-88(A)和P7-CRISPR-88(B)間隔序列與側(cè)翼序列的多序列比對(duì)圖Fig.2 Comparison chart of multiple alignment between spacers and flanking sequences P1-CRISPR-88(A)and P7-CRISPR-88(B)
2.2.3 間隔序列的同源性 將間隔序列進(jìn)行BLAST(數(shù)據(jù)庫(kù)包括1683個(gè)質(zhì)粒和1429個(gè)噬菌體,E<1.0),在同源質(zhì)粒/噬菌體中獲得該序列對(duì)應(yīng)的編碼區(qū)序列,對(duì)其進(jìn)行多序列比對(duì)。在間隔序列中并未發(fā)現(xiàn)完全匹配的序列,但個(gè)別間隔序列對(duì)應(yīng)的編碼區(qū)的產(chǎn)物很豐富,猜測(cè)某些間隔序列可能是2個(gè)或多個(gè)外源序列的拼接融合。有的間隔序列并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的編碼區(qū),有的間隔序列則并未發(fā)現(xiàn)同源質(zhì)粒/噬菌體。見表3。
P7-spacer對(duì)應(yīng)的編碼產(chǎn)物有復(fù)制蛋白、TniQ蛋白和絡(luò)氨酸重組酶等,有的序列處于非編碼區(qū),因此推測(cè)此間隔序列是多個(gè)基因特殊序列的拼接重組,通過(guò)分析,這些基因與信息基因和操縱基因有關(guān)。兩類基因形成P7spacer后,當(dāng)外源遺傳元素再次作用于P7spacer時(shí),首先通過(guò)復(fù)制蛋白基因(信息基因)進(jìn)行識(shí)別,然后結(jié)合其他基因或是非編碼的調(diào)控,來(lái)指導(dǎo)功能基因(操縱基因)發(fā)揮作用。見圖3。
表3 間隔序列的同源質(zhì)粒/噬菌體Tab.3 Homologous plasmids or phages of spacers
圖3 間隔序列可能的形成及功能機(jī)制圖Fig.3 Diagram of possible forming and functional mechanism of spacers
2.3.1 重復(fù)序列的多序列比對(duì) 在宋內(nèi)志賀菌菌株中,P1-CRISPR存在5個(gè)重復(fù)序列,其余均是2個(gè)重復(fù)序列。將P1-CRISPR的重復(fù)序列進(jìn)行多序列比對(duì),獲得相應(yīng)的堿基頻率圖(圖4A),P1-CRISPR的重復(fù)序列差異主要集中在第20、21和34位。P2-CRISPR的重復(fù)序列形成2種堿基頻率圖,P2-DR-1(圖4B)和P2-DR-2(圖4C),其中P2-DR-2是 CRISPR最末端的重復(fù)序列。P2-DR-1的差異僅在第25位堿基,P2-DR-2的差異在第17和18位,兩者僅是3′端的堿基具有較大差異,5′端具有很好的一致性。P7-CRISPR的重復(fù)序列則比較保守,并不存在堿基的差異(圖4D)。
2.3.2 重復(fù)序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 依據(jù)重復(fù)序列的堿基頻率,對(duì)重復(fù)序列做出相應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(圖5),并記錄形成結(jié)構(gòu)的最小自由能。P1-CRISPR重復(fù)序列形成 “多莖”結(jié)構(gòu),其最小自由能為-14.90kcal·mol-1,第20和21位于環(huán)上,第34若由T變?yōu)镚,即GC相連,則該二級(jí)結(jié)構(gòu)變的更為穩(wěn)定。P2-CRISPR重復(fù)序列形成的均為 “單莖”結(jié)構(gòu),P2-DR-1的最小自由能為-9.00kcal·mol-1,其差異位于游離部分,P2-DR-2的最小自由能為-1.10kcal·mol-1,其差異同樣位于游離部分,但兩者莖區(qū)長(zhǎng)不同,前者為5堿基,后者為3堿基,故兩者最小自由能有較大的差異。P7-CRISPR重復(fù)序列形成的也為 “多莖”結(jié)構(gòu),其最小自由能為-20.70kcal·mol-1,其重復(fù)序列比較保守,形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。
圖4 重復(fù)序列的堿基頻率圖Fig.4 Frequency diagram of bases of repeats
2.3.3 重復(fù)序列的同源性 對(duì)不同CRISPR重復(fù)序列進(jìn)行同源聚類分析,對(duì)其進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行探索(圖6),P7-CRISPR的重復(fù)序列不存在堿基差異。P1-CRISPR不同位置的重復(fù)序列存在差異,鮑氏及痢疾志賀菌的重復(fù)序列與宋內(nèi)或福氏志賀菌的末端重復(fù)序列一致,宋內(nèi)志賀菌的DR2-DR4序列幾乎一致,DR1同樣如此;P2-CRISPR的末端重復(fù)序列與CRISPR的5′端重復(fù)序列存在較大差異,10號(hào)與88號(hào)菌株的末端重復(fù)序列一致,而CRISPR的5′端重復(fù)序列卻存在差異。CRISPR的5′端重復(fù)序列臨近的間隔序列是菌株新近得到的外源序列,CRISPR5′端重復(fù)序列會(huì)隨著間隔序列的改變而進(jìn)化,從而影響CRISPR功能。依據(jù)P1-CRISPR 5′端重復(fù)序列(即DR1)聚類分析,可將10個(gè)菌株分為3類,同樣P2-CRISPR則為2類(共11個(gè)菌株),某些特殊的重復(fù)序列可能是該菌株新功能的體現(xiàn)。
圖5 重復(fù)序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of secondary structures of repeats
分別對(duì)3個(gè)重復(fù)序列進(jìn)行BLAST(最大顯示數(shù)默認(rèn)為100,E<0.1),此3個(gè)重復(fù)序列存在于大腸桿菌,這與其菌屬親緣關(guān)系具有一定的一致性。但在不同菌屬間也存在相應(yīng)的重復(fù)序列,如P1中的Salmonella,P2中的Pectobacterium和P7中的Uncultured bacterium,說(shuō)明志賀菌的CRISPR系統(tǒng)中存在同源不同種的現(xiàn)象。見圖7(插頁(yè)三)。
本研究結(jié)果表明:本室保存的志賀菌與數(shù)據(jù)庫(kù)中志賀菌的重復(fù)序列相同或是相似,將CRISPR序列與其進(jìn)行多序列比對(duì)后發(fā)現(xiàn)其同源性較高,此為同一種CRISPR結(jié)構(gòu);同時(shí),部分序列存在差異,可能是因?yàn)榧?xì)菌為了適應(yīng)不同的生存環(huán)境,而產(chǎn)生的分化或是進(jìn)化[1,9]。
由重復(fù)序列的多序列比對(duì)及二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)可知,不同CRISPR的重復(fù)序列保守性并不相同,重復(fù)序列位點(diǎn)的差異或在莖,或在環(huán),或在游離部分。莖上的差異會(huì)影響RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,P2-DR-1與P2-DR-2的莖區(qū)長(zhǎng)相差2堿基,其最小自由能變化很大,后者二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低;環(huán)上的差異同樣會(huì)影響其二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,P1-CRISPR重復(fù)序列中環(huán)內(nèi)堿基不同,其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在差異;游離部分的差異有可能影響RNA與蛋白質(zhì)等結(jié)合位點(diǎn)的變化。研究[10]顯示:重復(fù)序列的3′端是包含PAM motif的最后幾個(gè)堿基,而PAMs最后的堿基不保守,因此重復(fù)序列的3′端游離部分才會(huì)有位點(diǎn)的變化。
重復(fù)序列的莖區(qū)GC水平相對(duì)較高,G∶C堿基對(duì)之間是以3個(gè)氫鍵相連,分子相互作用力更強(qiáng),能夠釋放更多的自由能,更為穩(wěn)定;同時(shí)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)錄后RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的保守性,也突出重復(fù)序列在 CRISPR結(jié)構(gòu)及功能上的重要性[9,11]。P2-DR-2是 CRISPR 的末端重復(fù)序列,其3′端與P2-DR-1的3′端有較大變化,同時(shí)其穩(wěn)定性也較差,而P1-CRISPR重復(fù)序列和P3-CRISPR重復(fù)序列的莖區(qū)則未見此差異。由重復(fù)序列的同源聚類分析可知,隨著菌株的進(jìn)化,CRISPR也會(huì)隨之進(jìn)化,其5′端重復(fù)序列會(huì)有個(gè)別位點(diǎn)的突變來(lái)維持自身的生存,更好地適應(yīng)外界環(huán)境。CRISPR 5′端重復(fù)序列進(jìn)行的志賀菌聚類分析,為利用CRISPR來(lái)發(fā)現(xiàn)某些特殊類型的志賀菌提供了可能。
圖6 P1-CRISPR(A)和P2-CRISPR(B)重復(fù)序列的同源樹Fig.6 Homology tree of repeats of P1-CRISPR(A)and P2-CRISPR(B)
間隔序列可能來(lái)源于質(zhì)?;蚴删w,被作為外源遺傳物質(zhì)入侵細(xì)菌留下的特異性標(biāo)記,在此次研究中,并沒(méi)有顯示出100%匹配,且部分間隔序列并沒(méi)有同源噬菌體或質(zhì)粒,其原因可能是由于質(zhì)粒或噬菌體的進(jìn)化導(dǎo)致該基因的缺失或是目前尚未獲得此類質(zhì)?;蚴删w[10]。盡管如此,間隔序列的部分序列與質(zhì)?;蚴删w存在同源性,且某些間隔序列可包含同源質(zhì)?;蚴删w的多個(gè)序列編碼產(chǎn)物,提示某些間隔序列可能是多個(gè)間隔序列或同源質(zhì)粒或噬菌體中特殊序列的整合。rep基因與質(zhì)粒復(fù)制子(ori)間有密切聯(lián)系,rep基因編碼的Rep蛋白可結(jié)合ori內(nèi)部多個(gè)位點(diǎn)發(fā)揮作用;P7spacer的部分序列與質(zhì)粒的rep基因序列一致,因此某些間隔序列發(fā)揮作用時(shí),質(zhì)粒ori可能參與其中。據(jù)此推測(cè),間隔序列在形成時(shí),至少有2類基因的重組融合,一類是起到識(shí)別和調(diào)控的信息基因,另一類是起功能作用的操縱基因。在某些CRISPR中,間隔序列的部分序列與側(cè)翼序列存在同源性,說(shuō)明CRISPR中普遍存在基因重組現(xiàn)象,其有利于CRISPR維持自身的生存及進(jìn)化,保持自身基因組的穩(wěn)定性。在同一個(gè)CRISPR中,多個(gè)間隔序列具有很高的相似性,該現(xiàn)象在CRISPR中并不常見,其具體作用尚未明確,有可能作為一種增強(qiáng)機(jī)制來(lái)維護(hù)CRISPR功能。
不同CRISPR在不同種群中的分布不同,在不同親緣關(guān)系中的重復(fù)序列具有較高的同源性,說(shuō)明CRISPR同源性與菌株親緣性之間的關(guān)系并不密切,可能與CRISPR序列的水平基因轉(zhuǎn)移有關(guān),而這一現(xiàn)象已在多種菌種中發(fā)現(xiàn)[9,12-14]。研究[15]顯示:水平基因轉(zhuǎn)移是細(xì)菌抗生素抗藥的主要原因,并且在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。多項(xiàng)研究[12,16-17]已經(jīng)證實(shí):在乳酸菌和金黃色葡萄球菌中,CRISPR與耐藥性之間有關(guān)聯(lián)。因此,通過(guò)CRISPR限制志賀菌中耐藥性基因在細(xì)菌間的傳播成為可能,從而為志賀菌耐藥問(wèn)題提供研究思路。
本研究采用PCR法擴(kuò)增出志賀菌中存在的CRISPR,雖然所用菌株數(shù)量少,但也說(shuō)明PCR方法在檢測(cè)志賀菌CRISPR中的實(shí)用性。同時(shí)分析了志賀菌CRISPR的重復(fù)序列,間隔序列的特點(diǎn)及同源性,說(shuō)明CRISPR系統(tǒng)的多樣性及復(fù)雜性,以及未來(lái)應(yīng)用的可行性。目前廣泛應(yīng)用的CRISPR/CAS9基因編輯技術(shù)僅是CRISPR應(yīng)用的一個(gè)方面,如何利用CRISPR的特點(diǎn)來(lái)探索、控制或改善志賀菌耐藥需要更多的研究。
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吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2015年2期