Гены резистентности и горизонтальный перенос генов

Многие признаки антибиотикорезистентности наследуются не только вертикально, но и переносятся на мобильных участках ДНК, которые перемещаются между бактериями, даже между различными видами. Горизонтальный перенос генов — посредством конъюгации, трансформации и трансдукции — в сочетании с мобильными генетическими элементами, такими как плазмиды, транспозоны и интегроны, позволяет генам резистентности быстро распространяться в микробных популяциях.

Definition

Горизонтальный перенос генов — это перемещение генетического материала между бактериями иным способом, чем вертикальное наследование; в контексте резистентности он обозначает распространение генов резистентности, переносимых на мобильных генетических элементах, посредством конъюгации, трансформации или трансдукции.

Scope

Эта тема охватывает гены резистентности, которые циркулируют в качестве мобильного груза, а также генетические носители и процессы, которые их перемещают: плазмиды, транспозоны, инсерционные последовательности, интегроны и генные кассеты, а также три классических пути горизонтального переноса. Она дополняет тему генетической основы, которая рассматривает хромосомную и мутационную резистентность. Изложение является микробиологическим и генетическим, а не клиническим.

Core questions

• Как гены резистентности перемещаются между бактериями одного или разных видов?
• Какую роль играют плазмиды, транспозоны и интегроны в захвате и распространении резистентности?
• Чем отличаются конъюгация, трансформация и трансдукция как пути переноса?
• Почему мобильность ускоряет распространение резистентности по сравнению с одной только мутацией?

Key concepts

• Конъюгация
• Трансформация
• Трансдукция
• Плазмиды
• Транспозоны и инсерционные последовательности
• Интегроны и генные кассеты
• Мобильные генетические элементы
• Области множественной лекарственной устойчивости

Mechanisms

Гены резистентности распространяются тремя классическими путями переноса. При конъюгации ДНК — часто самотрансмиссивная плазмида — передается от донора к реципиенту через прямой контакт между клетками; при трансформации клетка поглощает свободную ДНК из окружающей среды; а при трансдукции бактериофаг переносит бактериальную ДНК от одного хозяина к другому. Мобильные генетические элементы упаковывают и концентрируют гены резистентности для переноса: плазмиды служат реплицирующимися носителями, транспозоны и инсерционные последовательности перемещают гены внутри и между репликонами, а интегроны захватывают мобильные генные кассеты и располагают их под общим промотором. Эти элементы часто объединяют множество генов резистентности в компактные области множественной лекарственной устойчивости, так что одно событие переноса может одновременно придавать устойчивость к нескольким классам лекарств (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011).

Clinical relevance

Горизонтальный перенос объясняет, почему резистентность может внезапно появиться у ранее чувствительного организма и почему вспышки бактерий с множественной лекарственной устойчивостью могут иметь идентичные элементы резистентности; это является справочной информацией для понимания распространения и надзора за резистентностью. Данная статья описывает биологию переноса генов и не является основой для назначения лечения или мер по контролю инфекций.

Epidemiology

Мобильные элементы резистентности широко циркулируют среди экологических, комменсальных и патогенных бактерий, а идентичные или тесно связанные плазмиды и кассеты, переносимые интегронами, встречаются на разных континентах. Эта мобильность, действующая на древний резервуар генов резистентности, позволяет детерминантам распространяться гораздо быстрее, чем можно было бы предсказать на основе независимых мутаций (Davies & Davies, 2010; Partridge et al., 2018).

Evidence & guidelines

Описание мобильных элементов и путей переноса здесь соответствует широко цитируемым обзорам генетики резистентности (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011; Munita & Arias, 2016). Данная статья является образовательной и не содержит клинических рекомендаций или рекомендаций по контролю инфекций.

History

Переносимость резистентности была признана в середине двадцатого века, когда было замечено, что резистентность передается между энтеробактериями на трансмиссивных плазмидах, тогда называемых R-факторами. В последующие десятилетия были охарактеризованы транспозоны, инсерционные последовательности и интегроны как модульный механизм, который захватывает и перестраивает гены резистентности, устанавливая горизонтальный перенос как центральную силу в эволюции множественной лекарственной устойчивости (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

Каковы три способа горизонтального переноса генов резистентности бактериями?

Конъюгация (прямой перенос через клеточный контакт, часто плазмиды), трансформация (поглощение свободной ДНК из окружающей среды) и трансдукция (перенос бактериофагом).

Почему интегроны и плазмиды важны для резистентности?

Они захватывают и переносят несколько генов резистентности вместе, так что одно событие переноса может передать резистентность к нескольким классам антибиотиков одновременно, ускоряя распространение множественной лекарственной устойчивости.