Transpozoni kot prenašalci odpornosti bakterij proti antibiotikom

Uvod

Pereča težava današnje družbe je razmah bakterijskih okužb. Številne bakterije so sposobne razviti odpornosti proti antibiotikom, kar otežuje učinkovito zdravljenje in preventivo pred boleznimi. Sokrivec za to so tudi transpozoni, ki prenašajo gene za odpornost proti antibiotikom med bakterijskimi vrstami.

Bakterijski transpozonski elementi

Insercijska zaporedja

Insercijska zaporedja so najmanjši genski elementi, krajši od 2500 bp, ki se prenašajo med bakterijskimi genomi in samostojno kodirajo proteine. IS načeloma ne nosijo zapisa za gensko rezistenco, lahko pa so del sestavljenih transpozonov. IS so tako majhni, da poleg IR zaporedja na začetku in koncu transpozona, ki sta potrebna za prenos, vsebuje le zapis za proteine, ki inhibirajo ali aktivirajo transpozonsko aktivnost, ter encime - transposaze, ki sodelujejo pri prenosu transpozonov. Na primer IS911 je dolg 1250 bp. Objemata ga 2 IR zaporedji dolgi 36bp, kodirajoča regija pa zapisuje gene za transpozazo OrfAB in regulatorni protein ORFa.

Sestavljeni transpozoni

Bakterijski transpozoni večinoma spadajo v razred DNA transpozonov nekaj vrst bakterij pa ima tudi retrotranspozone. Lahko se prenašajo s plazmida na plazmid ali z DNA kromosoma na plazmid in obratno ter tako povzročijo prenos odpornosti proti antibiotikom pri bakterijah. Transkripcija transpozona lahko poteka po enem od transkripcijskih mehanizmov, to so princip kotalečega se kroga, princip izreži-prilepi in samo-sintetizirajoči princip. Prenos transpozona iz ene bakterijske celice v drugo pa poteče preko konjugacijskega mostička. Pri bakterijah se del transpozonskega zaporedja izreže, pri tem igra ključno vlogo 6 baznih parov na začetku in koncu transpozonskega zaporedja. Transpozon se nato ovije v ciklično DNA in se preko konjugacije prenese v drugo bakterijo. Za vstavitev transpozona v ciljno molekulo je potrebno posebno tarčno zaporedje. Pri replikativnih DNA transpozonih se zaporedje transpozona podvoji nato pa se podvojeni del prenese naprej, originalno zaporedje pa ostane na svojem mestu, pri nereplikativnem prenosu pa se zaporedje transpozona izreže iz zaporedja in to prenese drugam – bodisi v plazmid, ali preko konjugacije v drugo bakterijsko celico, torej prvotno zaporedje ostane brez transpozonskega dela zaporedja. Potem ko se zaporedje transpozona prenese, se na njem sintetizira mesto tarčnega podvojevanja, ki je pomembno pri vstavitvi transpozona v tarčno zaporedje. Bakterijski transpozoni imajo značilno strukturo dveh IR (inverted repeats) zaporedij, ki objemata osrednji genomski del transpozona. Ta vsebuje sekvenco, ki zapisuje za encim transpozazo. Transpozaze imajo značilno katalitično mesto DDE in koordiniran kovinski ion (Aspartat (D) –aspartat (D) –glutamat (E). Njihova naloga je identifikacija IR, rezanje in prenos DNA. IR so obratna insercijska zaporedja, ki objemajo zaporedje transpozona z obeh strani in so lahko različno dolga. Sestavljena so iz približno 38 bp in imajo ključno vlogo pri prepoznavanju transpozaz in prenosu transpozona. Transpozoni se med bakterijami lahko prenašajo tudi preko bakteriofagov. Prenos transpozona in z njim genov za odpornost proti antibiotikom na ta način ima prednost za bakterijo predvsem zato, ker za prenos ni potreben direkten celični stik. Dober primer fagnega transpozona, ki prenaša odpornost, je fag Mu. Bakterijske transpozonske elemente lahko razdelimo v 4 kategorije: - insercijska zaporedja (IS) - sestavljeni transpozoni - nesestavljeni transpozoni - prenosljiv fag Mu

Nesestavljeni transpozoni

Nesestavljeni transpozoni nimajo insercijskih zaporedij na obeh koncih, ampak samo inverzni zaporedji na vsaki strani in so nosilci genov za odpornost proti antibiotikom ter gena tnpA za transpozazo in gena tnpR za resolvazo. Največ nesestavljenih transpozonov pripada Tn3 družini, nekatere druge družine so še Tn1, Tn2, Tn7, Tn21 … V 60. In 70. letih prejšnjega stoletja so ljudje vživali velike količine aminopenicilina, kar je povečalo število bakterij s transpozoni z odpornostjo na te antibiotike, hkrati pa se je povečal pomen transpozicij takih transpozonov. Posledično so postali tudi bistveno bolj razširjeni. Med transpozone z genom za β-laktamazo med drugim spadajo družine Tn1, Tn2 in Tn3. Tn3 vsebuje tudi gen za rezistenco na ampicillin in ga najdemo tako v Gram negativnih kot v Gram pozitivnih bakterijah. Zgolj pri Gram negativnih bakterijah vsebuje še gen za β-laktamazo. Transpozoni iz družin Tn1 in Tn2 imajo približno 99 % identičnost v primerjavi s transpozoni iz družine Tn3 v večjem delu zaporedja, identičnost je manjša le na krajših zaporedjih na obeh straneh regije res. Obe družini pa prav tako nosita gen za β-laktamazo. Najbolj razširjeni med temi tremi družinami so transpozoni iz družine Tn2. Družini Tn1 in Tn2 pogosto zaradi velike podobnosti označijo kar s Tn3.

Tn7 je transpozon, ki lahko nosi gen za rezistenco proti trimetoprimu, streptomicinu in spektinomicinu. Poleg tega pa vsebuje še zapise za 5 proteinov (TnsA, TnsB, TnsC, TnsD in TnsE), ki sodelujejo pri transpoziciji. Zaradi velikega števila proteinov je proces transpozicije pri tem transpozonu zelo dobro reguliran. TnsA in TnsB sta podenoti transpozaze, ki prepoznata dve terminalni zaporedji Tn7, TnsC je protein, ki uporablja ATP ter z njeno hidrolizo kontrolira delovanje transpozaze, TnsD in TnsE pa pomagata pri prepoznavanje tarčnega mesta za transpozicijo Tn7. TnsD prepoznava zaporedje glmS gena, ki kodira C-konec glukozamin-6-fosfat sintaze. Bolj natančno prepozna mesto attTn7, ki se nahaja na transkripcijskem terminatorju za gen glmS. Pri transpoziciji na to mesto ni negativnih posledic na gostitelja. TnsE ne prepoznava specifičnih zaporedij na DNA. Preferenčno pa usmerja transpozicijo na mobilne plazmide. TnsE torej skrbi za prenos transpozona v novega gostitelja, TnsD pa zagotovi transpozicijo v gostitelju. Transpozaza Tn7 lahko interagira s procesivnostnimi faktorji v procesu replikacije. Ta interakcija sicer omeji proliferacijo transpozona, vendar to favorizira izbiro tarčnega mesta, saj do transpozicije ne pride, dokler transpozaza ne najde primerne tarče.

Tn21 vsebuje gene za odpornost proti živemu srebru, cefalosporinom in sulfonamidom, Tn501 vsebuje gene za bakterijsko rezistenco proti težkim kovinam. Obstajajo pa še mnogi drugi nesestavljeni transpozoni z različnimi geni za odpornost proti za bakterije škodljivim snovem, kot so antibiotiki.

Mu-bakteriofag

Mu-bakteriofag je vrsta fagov z genetskim materialom, ki se obnaša kot insercijska sekvenca, ki je sposobna transpozicije. Tako kot transpozicijski elementi lahko prenaša gen za rezistenco proti antibiotikom. Obdan je z attR in attL inverznima zaporedjema, ki ju prepozna transpozaza. Ta bakteriofag prenese gene v dveh ciklih, in sicer litičnem in lizogenem ciklu. Pri replikaciji in prenosu genov so pomembni proteini MuA (za rekombinacijo z bakterijskim genomom), MuB (da najde mesto integracije v genomu), IHF (za integracijo v kromosom) in HU (histonu podobni protein, ki se veže na DNA). Prenos genov poteče v litičnem ciklu, ko se nekateri geni bakterijske rezistence prenesejo na fag Mu, ki lahko nato okuži druge bakterije in tako prenese rezistenčni gen.

Viri

• 1.Babakhani, S. & Oloomi, M. Transposons: the agents of antibiotic resistance in bacteria. J Basic Microbiol 58, 905–917 (2018).

• 2.Razavi, M., Kristiansson, E., Flach, C.-F. & Larsson, D. G. J. The Association between Insertion Sequences and Antibiotic Resistance Genes. mSphere 5, e00418-20 (2020).

• 3.Baquero, F., Tedim, A. P. & Coque, T. M. Antibiotic resistance shaping multi-level population biology of bacteria. Front. Microbiol. 4, (2013).