ยีนดื้อยาและการถ่ายทอดยีนในแนวราบ

ลักษณะการดื้อยาปฏิชีวนะหลายอย่างไม่ได้ถ่ายทอดในแนวตั้งเท่านั้น แต่ยังอยู่บนชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งเคลื่อนย้ายระหว่างแบคทีเรีย แม้กระทั่งข้ามสายพันธุ์ การถ่ายทอดยีนในแนวราบ — โดยการคอนจูเกชัน (conjugation), ทรานส์ฟอร์เมชัน (transformation) และทรานส์ดักชัน (transduction) — ร่วมกับองค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้ เช่น พลาสมิด (plasmids), ทรานส์โพซอน (transposons) และอินทีกรอน (integrons) ทำให้ยีนดื้อยาสามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วในประชากรจุลชีพ

Definition

การถ่ายทอดยีนในแนวราบคือการเคลื่อนย้ายสารพันธุกรรมระหว่างแบคทีเรียโดยไม่ผ่านการถ่ายทอดทางพันธุกรรมในแนวตั้ง ในบริบทของการดื้อยา หมายถึงการแพร่กระจายของยีนดื้อยาที่อยู่บนองค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้ผ่านการคอนจูเกชัน, ทรานส์ฟอร์เมชัน หรือทรานส์ดักชัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมยีนดื้อยาที่หมุนเวียนเป็นส่วนประกอบที่เคลื่อนที่ได้ และพาหะทางพันธุกรรมและกระบวนการที่ทำให้ยีนเหล่านี้เคลื่อนที่: พลาสมิด, ทรานส์โพซอน, ลำดับแทรก (insertion sequences), อินทีกรอนและยีนคาสเซ็ตต์ (gene cassettes) และเส้นทางการถ่ายทอดในแนวราบแบบดั้งเดิมสามเส้นทาง ซึ่งเสริมหัวข้อพื้นฐานทางพันธุกรรมที่กล่าวถึงการดื้อยาที่เกิดจากโครโมโซมและการกลายพันธุ์ การอธิบายนี้เป็นไปในเชิงจุลชีววิทยาและพันธุกรรมมากกว่าเชิงคลินิก

Core questions

• ยีนดื้อยาเคลื่อนที่ระหว่างแบคทีเรียชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันได้อย่างไร?
• พลาสมิด, ทรานส์โพซอน และอินทีกรอน มีบทบาทอย่างไรในการจับและแพร่กระจายการดื้อยา?
• การคอนจูเกชัน, ทรานส์ฟอร์เมชัน และทรานส์ดักชัน แตกต่างกันอย่างไรในฐานะเส้นทางการถ่ายทอด?
• เหตุใดการเคลื่อนที่จึงเร่งการแพร่กระจายของการดื้อยาเมื่อเทียบกับการกลายพันธุ์เพียงอย่างเดียว?

Key concepts

• คอนจูเกชัน (Conjugation)
• ทรานส์ฟอร์เมชัน (Transformation)
• ทรานส์ดักชัน (Transduction)
• พลาสมิด (Plasmids)
• ทรานส์โพซอน (Transposons) และลำดับแทรก (insertion sequences)
• อินทีกรอน (Integrons) และยีนคาสเซ็ตต์ (gene cassettes)
• องค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้ (Mobile genetic elements)
• บริเวณดื้อยาหลายชนิด (Multidrug-resistance regions)

Mechanisms

ยีนดื้อยาแพร่กระจายโดยสามเส้นทางการถ่ายทอดแบบดั้งเดิม ในการคอนจูเกชัน ดีเอ็นเอ — ซึ่งมักจะเป็นพลาสมิดที่สามารถถ่ายทอดตัวเองได้ — จะถูกส่งจากผู้ให้ไปยังผู้รับผ่านการสัมผัสโดยตรงระหว่างเซลล์ ในการทรานส์ฟอร์เมชัน เซลล์จะรับดีเอ็นเออิสระจากสภาพแวดล้อม และในการทรานส์ดักชัน แบคเทอริโอเฟจ (bacteriophage) จะนำดีเอ็นเอของแบคทีเรียจากโฮสต์หนึ่งไปยังอีกโฮสต์หนึ่ง องค์ประกอบทางพันธุกรรมที่เคลื่อนที่ได้จะบรรจุและรวมยีนดื้อยาเพื่อการถ่ายทอด: พลาสมิดทำหน้าที่เป็นพาหะในการจำลองแบบ, ทรานส์โพซอนและลำดับแทรกจะย้ายตำแหน่งยีนภายในและระหว่างรีพลิคอน (replicons), และอินทีกรอนจะจับยีนคาสเซ็ตต์ที่เคลื่อนที่ได้และจัดเรียงภายใต้โปรโมเตอร์ร่วมกัน องค์ประกอบเหล่านี้มักจะรวมยีนดื้อยาหลายตัวเข้าด้วยกันเป็นบริเวณดื้อยาหลายชนิดที่กระชับ ทำให้การถ่ายทอดเพียงครั้งเดียวสามารถทำให้เกิดการดื้อยาหลายประเภทได้ในคราวเดียว (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011)

Clinical relevance

การถ่ายทอดในแนวราบอธิบายว่าทำไมการดื้อยาจึงสามารถปรากฏขึ้นอย่างกะทันหันในสิ่งมีชีวิตที่เคยไวต่อยา และทำไมการระบาดของแบคทีเรียดื้อยาหลายชนิดจึงสามารถมีองค์ประกอบการดื้อยาที่เหมือนกันได้ นี่คือความรู้พื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจการแพร่กระจายและการเฝ้าระวังการดื้อยา บทความนี้อธิบายชีววิทยาของการถ่ายทอดยีนและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการรักษาหรือคำแนะนำในการควบคุมการติดเชื้อ

Epidemiology

องค์ประกอบการดื้อยาที่เคลื่อนที่ได้มีการหมุนเวียนอย่างกว้างขวางในแบคทีเรียในสิ่งแวดล้อม แบคทีเรียประจำถิ่น และแบคทีเรียก่อโรค และพลาสมิดและยีนคาสเซ็ตต์ที่อยู่บนอินทีกรอนที่เหมือนกันหรือมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันพบได้ซ้ำๆ ทั่วทวีป การเคลื่อนที่นี้ ซึ่งทำงานบนแหล่งสะสมยีนดื้อยาที่มีมาแต่โบราณ ทำให้ปัจจัยกำหนดการดื้อยาสามารถแพร่กระจายได้เร็วกว่าที่การกลายพันธุ์อิสระจะคาดการณ์ได้มาก (Davies & Davies, 2010; Partridge et al., 2018)

Evidence & guidelines

การอธิบายองค์ประกอบที่เคลื่อนที่ได้และเส้นทางการถ่ายทอดในที่นี้เป็นไปตามบทวิจารณ์ที่อ้างอิงอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับพันธุกรรมการดื้อยา (Partridge et al., 2018; Partridge, 2011; Munita & Arias, 2016) บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่มีแนวทางปฏิบัติทางคลินิกหรือการควบคุมการติดเชื้อ

History

การถ่ายทอดการดื้อยาได้รับการยอมรับในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 เมื่อมีการสังเกตว่าการดื้อยาสามารถส่งผ่านระหว่างแบคทีเรียในลำไส้บนพลาสมิดที่ถ่ายทอดได้ ซึ่งในขณะนั้นเรียกว่า R factors ทศวรรษต่อมาได้มีการระบุลักษณะของทรานส์โพซอน, ลำดับแทรก และอินทีกรอนว่าเป็นกลไกแบบโมดูลาร์ที่จับและจัดเรียงยีนดื้อยาใหม่ ทำให้การถ่ายทอดในแนวราบเป็นแรงสำคัญในการวิวัฒนาการของการดื้อยาหลายชนิด (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

แบคทีเรียถ่ายทอดยีนดื้อยาในแนวราบด้วยวิธีใดบ้าง?

การคอนจูเกชัน (การถ่ายทอดโดยตรงผ่านการสัมผัสเซลล์ ซึ่งมักจะเป็นพลาสมิด), การทรานส์ฟอร์เมชัน (การรับดีเอ็นเออิสระจากสภาพแวดล้อม) และการทรานส์ดักชัน (การถ่ายทอดโดยแบคเทอริโอเฟจ)

เหตุใดอินทีกรอนและพลาสมิดจึงมีความสำคัญต่อการดื้อยา?

พวกมันจับและนำยีนดื้อยาหลายตัวไปพร้อมกัน ดังนั้นการถ่ายทอดเพียงครั้งเดียวสามารถย้ายการดื้อยาไปยังยาปฏิชีวนะหลายประเภทได้ในคราวเดียว ซึ่งเร่งการแพร่กระจายของการดื้อยาหลายชนิด