ژن‌های مقاومت و انتقال افقی ژن

بسیاری از ویژگی‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی تنها به صورت عمودی به ارث نمی‌رسند، بلکه بر روی قطعات متحرک DNA حمل می‌شوند که بین باکتری‌ها، حتی در بین گونه‌ها، حرکت می‌کنند. انتقال افقی ژن – از طریق هم‌یوغی (conjugation)، ترانسفورماسیون (transformation) و ترانسداکسیون (transduction) – همراه با عناصر ژنتیکی متحرک مانند پلاسمیدها، ترانسپوزون‌ها و اینتگرون‌ها، به ژن‌های مقاومت اجازه می‌دهد تا به سرعت در جمعیت‌های میکروبی گسترش یابند.

Definition

انتقال افقی ژن عبارت است از حرکت مواد ژنتیکی بین باکتری‌ها به روشی غیر از وراثت عمودی؛ در زمینه مقاومت، به معنای گسترش ژن‌های مقاومتی است که بر روی عناصر ژنتیکی متحرک از طریق هم‌یوغی، ترانسفورماسیون یا ترانسداکسیون حمل می‌شوند.

Scope

این موضوع به ژن‌های مقاومتی می‌پردازد که به عنوان محموله‌های متحرک در گردش هستند و وسایل و فرآیندهای ژنتیکی که آن‌ها را جابجا می‌کنند: پلاسمیدها، ترانسپوزون‌ها، توالی‌های الحاقی (insertion sequences)، اینتگرون‌ها و کاست‌های ژنی، و سه مسیر کلاسیک انتقال افقی. این موضوع مکمل مبحث مبنای ژنتیکی است که به مقاومت کروموزومی و جهشی می‌پردازد. رویکرد این مبحث میکروبیولوژیکی و ژنتیکی است تا بالینی.

Core questions

• ژن‌های مقاومت چگونه بین باکتری‌های یک گونه یا گونه‌های مختلف حرکت می‌کنند؟
• پلاسمیدها، ترانسپوزون‌ها و اینتگرون‌ها چه نقشی در جذب و گسترش مقاومت ایفا می‌کنند؟
• هم‌یوغی، ترانسفورماسیون و ترانسداکسیون به عنوان مسیرهای انتقال چه تفاوت‌هایی با هم دارند؟
• چرا تحرک، انتشار مقاومت را در مقایسه با جهش به تنهایی، تسریع می‌کند؟

Key concepts

• هم‌یوغی (Conjugation)
• ترانسفورماسیون (Transformation)
• ترانسداکسیون (Transduction)
• پلاسمیدها (Plasmids)
• ترانسپوزون‌ها و توالی‌های الحاقی (Transposons and insertion sequences)
• اینتگرون‌ها و کاست‌های ژنی (Integrons and gene cassettes)
• عناصر ژنتیکی متحرک (Mobile genetic elements)
• مناطق مقاومت چند دارویی (Multidrug-resistance regions)

Mechanisms

ژن‌های مقاومت از طریق سه مسیر کلاسیک انتقال گسترش می‌یابند. در هم‌یوغی، DNA – که اغلب یک پلاسمید خودانتقال‌پذیر است – از یک دهنده به یک گیرنده از طریق تماس مستقیم سلول به سلول منتقل می‌شود؛ در ترانسفورماسیون، یک سلول DNA آزاد را از محیط خود جذب می‌کند؛ و در ترانسداکسیون، یک باکتریوفاژ DNA باکتریایی را از یک میزبان به میزبان دیگر حمل می‌کند. عناصر ژنتیکی متحرک، ژن‌های مقاومت را برای انتقال بسته‌بندی و متمرکز می‌کنند: پلاسمیدها به عنوان وسایل تکثیرکننده عمل می‌کنند، ترانسپوزون‌ها و توالی‌های الحاقی ژن‌ها را در داخل و بین رپلیکون‌ها جابجا می‌کنند، و اینتگرون‌ها کاست‌های ژنی متحرک را جذب کرده و آن‌ها را تحت یک پروموتر مشترک آرایش می‌دهند. این عناصر اغلب چندین ژن مقاومت را در مناطق فشرده مقاومت چند دارویی جمع‌آوری می‌کنند، به طوری که یک رویداد انتقال واحد می‌تواند مقاومت به چندین کلاس دارویی را به طور همزمان ایجاد کند (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011).

Clinical relevance

انتقال افقی توضیح می‌دهد که چرا مقاومت می‌تواند به طور ناگهانی در یک ارگانیسم که قبلاً حساس بوده ظاهر شود و چرا شیوع باکتری‌های مقاوم به چند دارو می‌تواند عناصر مقاومتی یکسانی را به اشتراک بگذارند؛ این یک دانش مرجع برای درک گسترش و نظارت بر مقاومت است. این مدخل زیست‌شناسی انتقال ژن را توصیف می‌کند و مبنایی برای تجویز درمان یا کنترل عفونت نیست.

Epidemiology

عناصر مقاومتی متحرک به طور گسترده‌ای در باکتری‌های محیطی، همزیست و بیماری‌زا در گردش هستند و پلاسمیدها و کاست‌های حامل اینتگرون یکسان یا بسیار نزدیک به هم در قاره‌ها تکرار می‌شوند. این تحرک، با عمل بر روی یک مخزن باستانی از ژن‌های مقاومت، به عوامل تعیین‌کننده اجازه می‌دهد تا بسیار سریع‌تر از آنچه جهش مستقل پیش‌بینی می‌کند، منتشر شوند (Davies & Davies, 2010; Partridge et al., 2018).

Evidence & guidelines

توصیف عناصر متحرک و مسیرهای انتقال در اینجا از بررسی‌های گسترده‌ای در زمینه ژنتیک مقاومت (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011; Munita & Arias, 2016) پیروی می‌کند. این مدخل آموزشی است و هیچ دستورالعمل بالینی یا کنترل عفونت ارائه نمی‌دهد.

History

قابلیت انتقال مقاومت در اواسط قرن بیستم زمانی که مشاهده شد مقاومت بین باکتری‌های روده‌ای بر روی پلاسمیدهای قابل انتقال، که آن زمان عوامل R نامیده می‌شدند، منتقل می‌شود، شناخته شد. دهه‌های بعدی ترانسپوزون‌ها، توالی‌های الحاقی و اینتگرون‌ها را به عنوان ماشین‌آلات مدولار که ژن‌های مقاومت را جذب و بازآرایی می‌کنند، شناسایی کردند و انتقال افقی را به عنوان یک نیروی مرکزی در تکامل مقاومت چند دارویی تثبیت کردند (Partridge, 2011; Davies & Davies, 2010).

Key figures

• Sally R. Partridge
• Julian Davies
• Cesar A. Arias

Seminal works

• partridge-2018
• partridge-2011
• davies-davies-2010

Frequently asked questions

سه روشی که باکتری‌ها ژن‌های مقاومت را به صورت افقی منتقل می‌کنند کدامند؟

هم‌یوغی (انتقال مستقیم از طریق تماس سلولی، اغلب یک پلاسمید)، ترانسفورماسیون (جذب DNA آزاد از محیط) و ترانسداکسیون (انتقال توسط یک باکتریوفاژ).

چرا اینتگرون‌ها و پلاسمیدها برای مقاومت مهم هستند؟

آنها چندین ژن مقاومت را با هم جذب و حمل می‌کنند، بنابراین یک رویداد انتقال واحد می‌تواند مقاومت را به چندین کلاس آنتی‌بیوتیکی به طور همزمان منتقل کند و گسترش مقاومت چند دارویی را تسریع بخشد.