stringtranslate.com

Плазмидно-опосредованная устойчивость

Пример плазмиды с двумя областями ДНК , кодирующей устойчивость к антибиотикам (1,2), и точкой начала репликации (3).

Плазмидная устойчивость — это перенос генов устойчивости к антибиотикам , которые переносятся плазмидами . [1] Плазмиды обладают механизмами, которые обеспечивают их независимую репликацию, а также теми, которые регулируют их число репликаций и гарантируют стабильное наследование во время деления клеток. С помощью процесса конъюгации они могут стимулировать латеральный перенос между бактериями из разных родов и царств. [2] Многочисленные плазмиды содержат системы, вызывающие привыкание, которые обычно основаны на факторах токсин-антитоксин и способны убивать дочерние клетки, которые не наследуют плазмиду во время деления клеток. [3] Плазмиды часто несут несколько генов устойчивости к антибиотикам , способствуя распространению множественной лекарственной устойчивости (МЛУ). [4] Устойчивость к антибиотикам, опосредованная плазмидами МЛУ, серьезно ограничивает возможности лечения инфекций, вызванных грамотрицательными бактериями , особенно семейства Enterobacteriaceae . [5] Глобальное распространение плазмид MDR усилилось из-за селективного давления антимикробных препаратов, используемых в медицинских учреждениях и при выращивании животных для производства продуктов питания. [6]

Свойства плазмид резистентности

Плазмиды резистентности по определению несут один или несколько генов резистентности к антибиотикам. [7] Они часто сопровождаются генами, кодирующими детерминанты вирулентности , [8] специфические ферменты или резистентность к токсичным тяжелым металлам . [9] Множественные гены резистентности обычно располагаются в кассетах резистентности. [7] Гены резистентности к антибиотикам, обнаруженные в плазмидах, придают резистентность большинству классов антибиотиков, используемых в настоящее время, например, бета-лактамам , фторхинолонам и аминогликозидам . [10]

Очень часто гены устойчивости или целые кассеты устойчивости перестраиваются на одной и той же плазмиде или перемещаются на другую плазмиду или хромосому посредством систем рекомбинации. Примерами таких систем являются интегроны , транспозоны и мобилизация генов, стимулируемая IS CR . [7]

Большинство плазмид устойчивости являются конъюгативными, что означает, что они кодируют все необходимые компоненты для переноса плазмиды в другую бактерию, [11] и этого нет в мобилизуемых плазмидах. Согласно этому, мобилизуемые плазмиды меньше по размеру (обычно < 10 кб), в то время как конъюгативные плазмиды больше (обычно > 30 кб) из-за значительного размера ДНК, необходимого для кодирования механизмов конъюгации, которые позволяют осуществлять конъюгацию от клетки к клетке. [7]

R-фактор

R-факторы также называются факторами резистентности или плазмидами резистентности. Это крошечные кольцевые элементы ДНК, которые самовоспроизводятся и содержат гены устойчивости к антибиотикам . [ требуется цитата ] Впервые они были обнаружены в Японии в 1959 году, когда было обнаружено, что некоторые штаммы шигелл развили устойчивость к ряду антибиотиков, используемых для лечения эпидемии дизентерии. Шигеллы — это род грамотрицательных, аэробных, не образующих спор, неподвижных, палочковидных бактерий. [ требуется цитата ] Гены резистентности — это те, которые приводят к появлению белков, которые модифицируют антибиотик или выкачивают его. Они отличаются от мутаций, которые придают бактериям устойчивость к антибиотикам, предотвращая попадание антибиотика внутрь или изменяя форму целевого белка. [12] Известно, что R-факторы содержат до десяти генов резистентности. Они также могут легко распространяться, поскольку содержат гены для построения пилей, которые позволяют им передавать R-фактор другим бактериям. [13] R-факторы способствовали росту кризиса устойчивости к антибиотикам, поскольку они быстро распространяют гены устойчивости среди бактерий. [14] Сам по себе R-фактор не может передаваться. [ необходима цитата ]

Структура плазмид резистентности

Большинство молекул R-RTF (фактор переноса резистентности) находятся в плазмиде резистентности, которую можно представить как кольцевой фрагмент ДНК длиной от 80 до 95 кб. [ требуется ссылка ] Эта плазмида разделяет много генов с фактором F и в значительной степени гомологична ему. [15] Кроме того, у нее есть ген fin 0, который подавляет функциональность оперона переноса. Размер и количество генов лекарственной устойчивости в каждом факторе R различаются. RTF больше, чем детерминанта R. Элемент IS 1 разделяет детерминант RTF и R с обеих сторон, прежде чем они объединяются в одну единицу. Компоненты IS 1 упрощают перенос детерминант R между различными типами единиц R-RTF. [ требуется ссылка ]

Функции плазмид резистентности

Передача инфекции

Бактерии, содержащие F-факторы (называемые «F+»), обладают способностью к горизонтальному переносу генов ; они могут строить половые пили , которые появляются из донорской бактерии и захватывают реципиентную бактерию, втягивают ее [16] и в конечном итоге запускают образование мостика спаривания, объединяя цитоплазмы двух бактерий через контролируемую пору. [17] Эта пора позволяет переносить генетический материал, такой как плазмида . Конъюгация позволяет двум бактериям , не обязательно одного вида , передавать генетический материал одним способом. [18] Поскольку многие R-факторы содержат F-плазмиды, устойчивость к антибиотикам может легко распространяться среди популяции бактерий . [19] Кроме того, R-факторы могут быть захвачены «ДНК-насосами» в их мембранах посредством трансформации [ 20] или, реже, посредством вирусной трансдукции [21] или через бактериофаг, хотя конъюгация является наиболее распространенным способом распространения устойчивости к антибиотикам. Они содержат ген, называемый RTF (фактор переноса резистентности).

Энтеробактерии

Бактерии Escherichia coli справа чувствительны к двум бета-лактамным антибиотикам и не растут в полукруглых областях, окружающих антибиотики. Бактерии E. coli слева устойчивы к бета-лактамным антибиотикам и растут рядом с одним антибиотиком ( внизу ) и меньше ингибируются другим антибиотиком ( вверху ).

это семейство грамотрицательных палочковидных бактерий (бацилл), патогенных бактерий, которые чаще всего встречаются в окружающей среде и клинических случаях, в результате чего они значительно подвержены влиянию использования антибиотиков в сельском хозяйстве, экосистеме или лечении заболеваний. [22] У Enterobacteriaceae 28 различных типов плазмид могут быть идентифицированы с помощью ПЦР-репликон-типирования (PBRT). Плазмиды, которые часто сообщались [IncF, IncI, IncA/C, IncL (ранее обозначались как IncL/M), IncN и IncH], содержат широкий спектр генов устойчивости. [23]

Представители семейства Enterobacteriaceae, например, Escherichia coli или Klebsiella pneumoniae, представляют наибольшую угрозу в отношении плазмидной резистентности при внутрибольничных и внебольничных инфекциях. [5]

Устойчивость к бета-лактамам

B-лактамазы — это ферменты, гидролизующие антибиотики, которые обычно вызывают устойчивость к b-лактамным антибиотикам. Эти ферменты распространены в Streptomyces, и вместе с родственными ферментами, обнаруженными в патогенных и непатогенных бактериях, они образуют семейство белков, известное как «суперсемейство b-лактамаз». [12] предполагается, что b-лактамазы также выполняют двойную функцию, например, поддержание порядка и устойчивость к антибиотикам. [24]

Как бета-лактамазы узкого спектра (например, пенициллиназы), так и бета-лактамазы расширенного спектра (ESBL) являются общими для резистентных плазмид в Enterobacteriaceae . Часто несколько генов бета-лактамаз обнаруживаются на одной и той же плазмиде, гидролизуя широкий спектр бета-лактамных антибиотиков. [5]

Бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС)

Ферменты ESBL могут гидролизовать все бета-лактамные антибиотики, включая цефалоспорины, за исключением карпабепенемов. Первые клинически наблюдаемые ферменты ESBL были мутантными версиями бета-лактамаз узкого спектра, таких как TEM и SHV. Другие ферменты ESBL происходят из-за пределов семейства Enterobacteriaceae, но также распространяются. [5]

Кроме того, поскольку плазмиды, несущие гены ESBL, также обычно кодируют детерминанты устойчивости ко многим другим антибиотикам, штаммы ESBL часто устойчивы и ко многим антибиотикам, не относящимся к бета-лактамам [25] , что оставляет очень мало вариантов лечения.

Карбапенемазы

Карбапенемазы представляют собой тип ESBL, которые способны гидролизовать антибиотики-карбапенемы, которые считаются последним средством лечения бактерий, продуцирующих ESBL. Карбапенемазы KPC, NDM-1, VIM и OXA-48 все чаще регистрируются во всем мире как причины внутрибольничных инфекций . [5]

Устойчивость к хинолонам

Несколько исследований показали, что устойчивость к фторхинолонам усилилась во всем мире, особенно у представителей семейства Enterobacteriaceae. QnrA был первым известным плазмидно-опосредованным геном, связанным с устойчивостью к хинолонам. [26] Гены устойчивости к хинолонам часто располагаются на той же плазмиде, что и гены ESBL. [27] Белки, известные как QnrS, QnrB, QnrC и QnrD, являются четырьмя другими, которые похожи. Было обнаружено множество вариантов для qnrA, qnrS и qnrB, и они различаются порядковыми номерами. [28] Гены qnr можно обнаружить в интегронах и транспозонах на плазмидах MDR различных групп несовместимости, которые могут нести ряд молекул, связанных с устойчивостью, таких как карбапенемазы и ESBL. [29] Примерами механизмов резистентности являются различные белки Qnr, аминогликозоацетилтрансфераза aac(6')-Ib-cr, которая способна гидролизовать ципрофлоксацин и норфлоксацин , а также эффлюксные транспортеры OqxAB и QepA. [5]

Устойчивость к аминогликозидам

xУстойчивость к аминогликозидам у грамотрицательных патогенов в первую очередь вызвана ферментами, которые ацетилируют, аденилируют или фосфорилируют лекарство. [30] На мобильных элементах, таких как плазмиды, находятся гены, которые кодируют эти ферменты. [31] Гены устойчивости к аминогликозидам также часто встречаются вместе с генами ESBL. Устойчивость к аминогликозидам передается через многочисленные ферменты, модифицирующие аминогликозиды, и 16S рРНК метилтрансферазы. [5] Устойчивость к аминогликозидам передается через многочисленные механизмы:

  1. ферменты, модифицирующие аминогликозиды, и инактивация аминогликозидов, которая часто наблюдается как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий и индуцируется нуклеотидилтрансферазами, фосфотрансферазами или аминогликозидацетилтрансферазами.
  2. снижение проницаемости.
  3. усиленный отток.
  4. изменения в рибосомальной субъединице 30S, которые препятствуют связыванию с ней аминогликозидов. [32]

малые РНК

Исследование физиологического эффекта плазмиды pHK01 в хозяине E.coli J53 показало, что плазмида снижала подвижность бактерий и придавала устойчивость к бета-лактамам. pHK01 продуцировала плазмидно-кодируемые малые РНК и опосредовала экспрессию хозяйских sRNA. Эти sRNA были антисмысловыми по отношению к генам, участвующим в репликации, переносе конъюгатов и стабилизации плазмиды: AS-repA3 (CopA) , AS-traI, AS-finO, AS-traG, AS-pc02. Сверхэкспрессия одной из плазмидно-кодируемых антисмысловых sRNA : AS-traI сократила t la log-фазу роста хозяина. [33]

Ссылки

  1. ^ San Millan A (декабрь 2018 г.). «Эволюция плазмидно-опосредованной антибиотикорезистентности в клиническом контексте». Тенденции в микробиологии . 26 (12): 978–985. doi : 10.1016/j.tim.2018.06.007 . PMID  30049587.
  2. ^ "спряжение (прокариоты) | Изучайте науку на Scitable". www.nature.com . Получено 6 января 2023 г. .
  3. ^ Tsang J (май 2017). «Системы зависимости бактериальных плазмид и их влияние на разработку антибиотиков». Postdoc Journal . 5 (5): 3–9. PMC 5542005. PMID 28781980  . 
  4. ^ ab Nikaido H (1 июня 2009 г.). «Множественная лекарственная устойчивость у бактерий». Annual Review of Biochemistry . 78 (1): 119–146. doi :10.1146/annurev.biochem.78.082907.145923. PMC 2839888. PMID 19231985  . 
  5. ^ abcdefg Schultsz C, Geerlings S (январь 2012 г.). "Плазмидная резистентность у Enterobacteriaceae: меняющийся ландшафт и последствия для терапии". Drugs . 72 (1): 1–16. doi :10.2165/11597960-000000000-00000. PMID  22191792. S2CID  42306704.
  6. ^ Mathers AJ, Peirano G, Pitout JD (июль 2015 г.). «Роль плазмид эпидемической устойчивости и международных клонов высокого риска в распространении мультирезистентных энтеробактерий». Clinical Microbiology Reviews . 28 (3): 565–591. doi : 10.1128 /CMR.00116-14. PMC 4405625. PMID  25926236. 
  7. ^ abcde Bennett PM (март 2008 г.). «Плазмидная кодируемая устойчивость к антибиотикам: приобретение и передача генов устойчивости к антибиотикам у бактерий». British Journal of Pharmacology . 153 (Suppl 1): S347–S357. doi :10.1038/sj.bjp.0707607. PMC 2268074 . PMID  18193080. 
  8. ^ Darmancier H, Domingues CP, Rebelo JS, Amaro A, Dionísio F, Pothier J, et al. (Май 2022 г.). «Связаны ли гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам? Комплексный анализ бактериальных хромосом и плазмид». Антибиотики . 11 (6): 706. doi : 10.3390/antibiotics11060706 . PMC 9220345. PMID  35740113 . 
  9. ^ Sevim A, Sevim E (2015). «Плазмидно-опосредованная устойчивость к антибиотикам и тяжелым металлам у штаммов Bacillus, выделенных из почв в Ризе, Турция». Журнал естественных и прикладных наук Университета Сулеймана Демиреля . 19 (2): 133–141 – через Научный институт Университета Сулеймана Демиреля.
  10. ^ McMillan EA, Gupta SK, Williams LE, Jové T, Hiott LM, Woodley TA и др. (2019). «Гены, кассеты и плазмиды устойчивости к противомикробным препаратам, присутствующие в Salmonella enterica, ассоциированные с пищевым скотом в США». Frontiers in Microbiology . 10 : 832. doi : 10.3389/fmicb.2019.00832 . PMC 6479191. PMID  31057528. 
  11. ^ Zatyka M, Thomas CM (1998). «Контроль генов для конъюгативного переноса плазмид и других мобильных элементов». FEMS Microbiology Reviews . 21 (4): 291–319. doi : 10.1111/j.1574-6976.1998.tb00355.x . PMID  25481925.
  12. ^ ab Peterson E, Kaur P (2018). «Механизмы устойчивости к антибиотикам у бактерий: взаимосвязи между детерминантами устойчивости производителей антибиотиков , бактериями окружающей среды и клиническими патогенами». Frontiers in Microbiology . 9 : 2928. doi : 10.3389/fmicb.2018.02928 . PMC 6283892. PMID  30555448. 
  13. ^ Tao S, Chen H, Li N, Wang T, Liang W (18 июля 2022 г.). «Модель распространения генов устойчивости к антибиотикам in vivo». Канадский журнал инфекционных заболеваний и медицинской микробиологии . 2022 : 3348695. doi : 10.1155/2022/3348695 . PMC 9314185. PMID  35898691 . 
  14. ^ Кэмпбелл Н. (2018). Биология: глобальный подход (11-е изд.). Нью-Йорк: Pearson. стр. 633. ISBN 978-1-292-17043-5.
  15. ^ Fernandez-Lopez R, de Toro M, Moncalian G, Garcillan-Barcia MP, de la Cruz F (2016). "Сравнительная геномика области конъюгации F-подобных плазмид: пять оттенков F". Frontiers in Molecular Biosciences . 3 : 71. doi : 10.3389/fmolb.2016.00071 . PMC 5102898. PMID  27891505. 
  16. ^ Bragagnolo N, Rodriguez C, Samari-Kermani N, Fours A, Korouzhdehi M, Lysenko R, Audette GF (сентябрь 2020 г.). "Динамика белков в конъюгации F-подобных бактерий". Biomedicines . 8 (9): 362. doi : 10.3390/biomedicines8090362 . PMC 7555446 . PMID  32961700. 
  17. ^ Virolle C, Goldlust K, Djermoun S, Bigot S, Lesterlin C (октябрь 2020 г.). «Передача плазмиды путем конъюгации у грамотрицательных бактерий: от клеточного уровня до уровня сообщества». Genes . 11 (11): 1239. doi : 10.3390/genes11111239 . PMC 7690428 . PMID  33105635. 
  18. ^ "Структура прокариотической клетки: пили". Архивировано из оригинала 7 декабря 2016 года . Получено 19 января 2017 года .
  19. ^ Helinski DR (декабрь 2022 г.). Kaper JB (ред.). «Краткая история плазмид». EcoSal Plus . 10 (1): eESP00282021. doi :10.1128/ecosalplus.ESP-0028-2021. PMC 10729939. PMID 35373578.  S2CID 254686832  . 
  20. ^ Burton B, Dubnau D (июль 2010). «Мембранно-ассоциированные машины для транспортировки ДНК». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (7): a000406. doi :10.1101/cshperspect.a000406. PMC 2890206. PMID 20573715  . 
  21. ^ Nayerossadat N, Maedeh T, Ali PA (2012). «Вирусные и невирусные системы доставки для доставки генов». Advanced Biomedical Research . 1 : 27. doi : 10.4103/2277-9175.98152 . PMC 3507026. PMID  23210086 . 
  22. ^ Dahal P (20 мая 2022 г.). «Enterobacteriaceae — определение, характеристики, идентификация». Microbe Notes . Получено 9 января 2023 г.
  23. ^ Розвандович М., Брауэр М.С., Фишер Дж., Вагенар Дж.А., Гонсалес-Цорн Б., Герра Б. и др. (май 2018 г.). «Плазмиды, несущие гены устойчивости к противомикробным препаратам у Enterobacteriaceae». Журнал антимикробной химиотерапии . 73 (5): 1121–1137. дои : 10.1093/jac/dkx488 . ПМИД  29370371.
  24. ^ Baquero F, Bouza E, Gutiérrez-Fuentes J, Coque TM (январь 2018 г.). «Экология и эволюция переноса хромосомных генов между микроорганизмами окружающей среды и патогенами». Microbiology Spectrum . 6 (1): 6.1.06. doi :10.1128/microbiolspec.MTBP-0006-2016. PMID  29350130.
  25. ^ Хуссейн Т., Джамал М., Нигат Ф., Андлеб С. (2014). «Антибиотики широкого спектра действия и резистентность нецелевых бактерий: пример тетрациклина». Журнал чистой и прикладной микробиологии . 8 (4): 2667–2671.
  26. ^ Poirel L, Rodriguez-Martinez JM, Mammeri H, Liard A, Nordmann P (август 2005 г.). «Происхождение плазмидно-опосредованного детерминанта резистентности к хинолону QnrA». Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 49 (8): 3523–3525. doi :10.1128/AAC.49.8.3523-3525.2005. PMC 1196254. PMID  16048974 . 
  27. ^ Салах Ф.Д., Собейга С.Т., Уаттара АК, Садджи А.Ю., Метуор-Дабире А., Обири-Йебоа Д. и др. (18 июня 2019 г.). «Распределение гена устойчивости к хинолонам (qnr) в ESBL-продуцирующих Escherichia coli и Klebsiella spp. в Ломе, Того». Устойчивость к противомикробным препаратам и инфекционный контроль . 8 (1): 104. дои : 10.1186/s13756-019-0552-0 . ПМК 6582466 . ПМИД  31244995. 
  28. ^ Azeez DA, Findik D, Hatice TÜ, Arslan U (2018). «Плазмидно-опосредованная резистентность к фторхинолонам у клинических изолятов Escherichia coli в Конье, Турция». Cukurova Medical Journal . 43 (2): 295–300. doi : 10.17826/cumj.341637 . S2CID  49553107.
  29. ^ Страхилевиц Дж., Якоби ГА., Хупер Д.К., Робишек А. (октябрь 2009 г.). «Плазмидно-опосредованная резистентность к хинолонам: многогранная угроза». Обзоры клинической микробиологии . 22 (4): 664–689. doi :10.1128/CMR.00016-09. PMC 2772364. PMID  19822894 . 
  30. ^ Ramirez MS, Tolmasky ME (декабрь 2017 г.). «Амикацин: использование, устойчивость и перспективы ингибирования». Molecules . 22 (12): 2267. doi : 10.3390/molecules22122267 . PMC 5889950 . PMID  29257114. 
  31. ^ Belaynehe KM, Shin SW, Hong-Tae P, Yoo HS (август 2017 г.). «Распространение аминогликозид-модифицирующих ферментов среди изолятов Escherichia coli, демонстрирующих высокий уровень устойчивости к аминогликозидам, выделенных с корейских ферм крупного рогатого скота». FEMS Microbiology Letters . 364 (14). doi : 10.1093/femsle/fnx129 . PMID  28637330.
  32. ^ Doi Y, Wachino JI, Arakawa Y (июнь 2016 г.). «Устойчивость к аминогликозидам: возникновение приобретенных 16S рибосомальных РНК-метилтрансфераз». Клиники инфекционных заболеваний Северной Америки . Устойчивость к антибиотикам: проблемы и возможности. 30 (2): 523–537. doi :10.1016/j.idc.2016.02.011. PMC 4878400 . PMID  27208771. 
  33. ^ Jiang X, Liu X, Law CO, Wang Y, Lo WU, Weng X и др. (июль 2017 г.). «Плазмида pHK01 CTX-M-14 кодирует новые малые РНК и влияет на рост и подвижность хозяина». FEMS Microbiology Ecology . 93 (7). doi : 10.1093/femsec/fix090 . PMID  28854680.

Дальнейшее чтение