薬剤耐性遺伝子と水平遺伝子伝達

多くの抗生物質耐性形質は、垂直的にのみ遺伝するのではなく、細菌間、さらには種間を移動する可動性のDNA断片上に運ばれます。接合、形質転換、形質導入による水平遺伝子伝達は、プラスミド、トランスポゾン、インテグロンなどの可動遺伝因子と組み合わさることで、耐性遺伝子が微生物集団中に急速に広がることを可能にします。

Definition

水平遺伝子伝達とは、垂直遺伝以外の方法で細菌間で遺伝物質が移動することであり、耐性の文脈では、接合、形質転換、または形質導入を介して可動遺伝因子上に運ばれる耐性遺伝子の拡散を指します。

Scope

このトピックでは、可動性の荷物として循環する耐性遺伝子と、それらを移動させる遺伝的媒体およびプロセス（プラスミド、トランスポゾン、挿入配列、インテグロン、遺伝子カセット、および水平伝達の3つの古典的な経路）について扱います。これは、染色体性および変異による耐性を扱う遺伝的基盤のトピックを補完するものです。扱いは臨床的なものではなく、微生物学的および遺伝学的なものです。

Core questions

• 耐性遺伝子は、同種または異種の細菌間でどのように移動しますか？
• プラスミド、トランスポゾン、インテグロンは、耐性の捕捉と拡散においてどのような役割を果たしますか？
• 接合、形質転換、形質導入は、伝達経路としてどのように異なりますか？
• 移動性は、突然変異単独と比較して、耐性の拡散をなぜ加速させるのですか？

Key concepts

• 接合
• 形質転換
• 形質導入
• プラスミド
• トランスポゾンと挿入配列
• インテグロンと遺伝子カセット
• 可動遺伝因子
• 多剤耐性領域

Mechanisms

耐性遺伝子は、3つの古典的な伝達経路によって拡散します。接合では、DNA（しばしば自己伝達性プラスミド）がドナーからレシピエントへ直接的な細胞間接触を介して伝達されます。形質転換では、細胞が環境から遊離DNAを取り込みます。形質導入では、バクテリオファージが細菌DNAをある宿主から別の宿主へと運びます。可動遺伝因子は、耐性遺伝子を伝達のためにパッケージ化し、濃縮します。プラスミドは複製する媒体として機能し、トランスポゾンと挿入配列はレプリコン内およびレプリコン間で遺伝子を再配置し、インテグロンは可動遺伝子カセットを捕捉し、共通のプロモーターの下に配列します。これらの要素は、しばしば複数の耐性遺伝子をコンパクトな多剤耐性領域に集合させるため、単一の伝達イベントで複数の薬剤クラスに対する耐性を一度に付与することができます（Partridge et al., 2018; Partridge, 2011）。

Clinical relevance

水平伝達は、以前は感受性であった生物に耐性が突然出現する理由や、多剤耐性菌のアウトブレイクが同一の耐性要素を共有する理由を説明します。これは耐性拡散とサーベイランスを理解するための参照知識です。この項目は遺伝子伝達の生物学を記述するものであり、治療や感染制御の処方箋の根拠となるものではありません。

Epidemiology

可動性の耐性要素は、環境中の細菌、常在菌、病原菌の間で広く循環しており、同一または密接に関連するプラスミドやインテグロンに搭載されたカセットは、大陸を越えて繰り返し出現します。この移動性は、耐性遺伝子の古代の貯蔵庫に作用することで、独立した突然変異が予測するよりもはるかに速く決定因子が拡散することを可能にします（Davies & Davies, 2010; Partridge et al., 2018）。

Evidence & guidelines

ここでの可動要素と伝達経路の説明は、耐性遺伝学に関する広く引用されているレビュー（Partridge et al., 2018; Partridge, 2011; Munita & Arias, 2016）に基づいています。この項目は教育的なものであり、臨床的または感染制御に関するガイドラインを提供するものではありません。

History

耐性の伝達性は20世紀半ばに認識されました。当時、耐性が伝達性プラスミド（当時はR因子と呼ばれていました）を介して腸内細菌間で伝達されることが観察されました。その後の数十年で、トランスポゾン、挿入配列、インテグロンが耐性遺伝子を捕捉し再配置するモジュラー機構として特徴づけられ、水平伝達が多剤耐性の進化における中心的な力として確立されました（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

細菌が耐性遺伝子を水平的に伝達する3つの方法は何ですか？

接合（細胞接触を介した直接伝達、しばしばプラスミドによる）、形質転換（環境からの遊離DNAの取り込み）、形質導入（バクテリオファージによる伝達）です。

インテグロンとプラスミドが耐性にとって重要なのはなぜですか？

これらは複数の耐性遺伝子をまとめて捕捉し運搬するため、単一の伝達イベントで複数の抗生物質クラスに対する耐性を一度に移動させることができ、多剤耐性の拡散を加速させます。