Fagi kot naravni rezervoar odpornosti proti antibiotikom

Posredniki prenosa genov

Bakterije imajo več mehanizmov, ki so zmožni pakiranja gostiteljske DNA v bakteriofage ali njim podobne delce. Gostiteljska DNA je v tem primeru DNA bakterije, ki pa lahko nosi tudi gene z rezistenco na antibiotike. Fagi in njim podobni delci prenašajo gene do novega bakterijskega gostitelja preko horizontalnega prenosa genov. Prenos tuje DNA, ki jo vršijo fagi, imenujemo transdukcija, ki jo lahko razdelimo na specializirano ali generalizirano. Pri prvi pride do prenosa dela gostiteljske DNA in profagne DNA v recipientsko celico, pri generalizirani pa pride do prenosa le dela gostiteljske DNA. Obstaja pa še en proces izmenjave genov, ki ga vršijo posredniki prenosa genov (PPG). To so majhni, bakteriofagom podobni delci, ki jih proizvajajo nekatere bakterije in arheje. Vsak delec vsebuje kratek fragment genoma, ki ga lahko prenese v recipientsko celico podobnega organizma.

Geni za te delce so nastali iz fagne DNA, ki se je integrirala v gostiteljski genom. Ta je mutirala na mestih, kjer je bil zapis za nastanek endolizina, na promotorju, DNA replikacijskem mestu in še nekaterih. Tako je iz 30 – 50 kb zaporedja nastalo 10 – 20 kb dolgo zaporedje z zapisom za pakiranje DNA, večino proteinov glave in repa. Dodatni geni, ki prispevajo k proizvajanju PPG ali vnosu DNA, se nahajajo na drugih mestih na genomu. Ti imajo lahko regulatorno vlogo ali direktno prispevajo k nastanku PPG, kot je na primer gen za endolizin. Taki geni kodirajo tudi za proteine, ki imajo funkcijo vnosa DNA in njeno rekombinacijo, kot so DNA transportni proteini.

Življenjski cikel PPG

Nastanek PPG je reguliran s pomočjo več regulatorjev. Gen gafA kodira transkripcijski regulator, ki se veže na PPG promotor in sproži nastanek strukturnih proteinov in proteinov za pakiranje DNA. Izražanje gafA je regulirano preko pleiotropičnega regulatorskega proteina CtrA in kvorum zaznavnega regulatorja GtaR. GafA in CtrA vplivata na zorenje PPG in končno sprostitev preko lize celice. GafA in GtaR z vezanim HSL (Homoserin lakton) pa sprožita nastanek endolizina in holina, ki sprožita lizo celice. Kadar je CtrA fosforiliran, to omogoča nastanek novih CtrA, hkrati pa deluje kot pozitivni regulator za nastanek določenih proteinov repa, bodic na glavi PPG in proteina za zorenje glave. Indukcija gena PPG torej vodi do produkcije proteinov, pomembnih za izgradnjo in vstavitev PPG, vendar pa, za razliko od bakteriofagov, ne prihaja do specifične replikacije samega gena.

Nastanek PPG se začne s transkripcijo in translacijo PPG genov. Nastali deli morajo dozoreti, torej proteini se morajo ustrezno sestaviti v določen del PPG. Sledi polnjenje glav PPG, kar regulira poseben terminazni encimski kompleks. Ta zapolni vsako glavo do maksimalne dolžine DNA, ki se lahko vstavi in se nato premakne naprej do naslednje glave. Maksimalna dolžina je 4 – 14 kb, kar je odvisno od bakterije, v splošnem pa velja, da lahko glave istega organizma sprejmejo enako količino DNA. Fagi lahko za razliko od PPG sprejmejo večjo količino DNA in prenašajo gene, ki kodirajo za nastanek več fagov. Po pakiranju pride do sestavljanja glav in repov ter končne lize celice.

Prenos dednega materiala

Uspešnost transdukcije s PPG je odvisna od zmožnosti njihovega preživetja v okolju in prisotnosti ustreznih recipientskih celic. Te morajo imeti na površini celice določen polisaharid, ki interagira z repom PPG. Ta nato razgradi zunanjo membrano na tem mestu in sprosti hidrolaze, ki razgradijo celično steno. DNA se lahko prenese le v periplazemski prostor, saj ne more direktno preiti notranje membrane, kot je to značilno za fage. Za prenos DNA so potrebni homologi DNA translokacijskih proteinov ComEC, ComF in ComM. Ti lahko preko membrane prenesejo le eno verigo DNA in ji dodajo DprA, ki omogoča lažjo rekombinacijo DNA verige. Ko ta kompleks prispe v citoplazmo, lahko rekombinacija poteče po enakem postopku, kot če bi bil vezan RecA.

Viri

Redfield, R. J., Beatty, J. T., 2019, “Gene Transfer Agents.” Encyclopedia of Microbiology (Fourth Edition): 370 – 377.

Fogg, P.C.M., 2019, “Identification and characterization of a direct activator of a gene transfer agent.”Nature Communications 10. Article number: 595.