GENETISKE MEKANISMER INVOLVERT I SPREDING AV RESISTENS

Transkript

1 GENETISKE MEKANISMER INVOLVERT I SPREDING AV RESISTENS KRISTIN HEGSTAD OUTLINE Hvordan erverves nye egenskaper? Mekanismer for horisontal genoverføring (HGT) Genetiske elementer involvert i spredning Definisjoner og eksempler på genetiske elementer Oppsummering 1

2 ERVERVING AV ANTIBIOTIKARESISTENS Slide fra Julian Davies MUTASJONER NYE EGENSKAPER Spontant eller under påvirkning av ekstern kilde Punktmutasjon kan resultere i endring av essensiell aminosyre eller introduksjon av nytt stoppkodon trunkert protein Større endinger i DNA delesjon, insesjon, inversjon eller at mange nukleinsyrebaser byttes ut Normalt protein Antibiotika Mutert protein X Cellevegg Kromosomalt DNA 2

3 HORISONTAL OVERFØRING AV GENMATERIALE fra en celle til en annen Resultat; kan motta flere nye gener større variasjon og tilpasningsdyktighet UTVIKLING AV MULTIRESISTENS A A B A + B + C C A + B 3

4 MEKANISMER FOR HGT 1. TRANSFORMASJON Inkorporering av ekstracellulært DNA inn i mottakercella DNA DNA bindende protein Kompetensspesifikke ssdna bindende proteiner Bacteriecelle Eksempel: Utvikling av pbp mosaikkstruktur i pneumokokker med høygradig resistens mot penicillin Brock & Madigan ISBN Dowson 1989 PNAS USA 86: TRANSFORMASJON Noen bakterier er naturlig kompetente til å ta opp DNA fragmenter gjennom celleveggen Krever viss grad av homologi for rekombinasjon inn i mottakerens genom Eks S. pneumoniae, B. subtilis, H. influenzae, N. gonorrhoeae Mell & Refield, J Bacteriol 196:

5 MEKANISMER FOR HGT 2. TRANSDUKSJON Genetisk overføring av vertens gener vha virus (bakteriofager) Eksempel: Spredning av tetracycline og makrolide (tet(o)- mef(a)) resistens hos gruppe A streptokokker Brock & Madigan ISBN Giovanetti 2005 JAC 55: TRANSDUKSJON (a) Generalisert transduksjon; Alle donorens gener har lik sjanse for å pakkes feil i virulent bakteriofag under replikasjon Plasmider kan også bli overført (b) Spesialisert transduksjon; Upresis eksisjon fra det kromosomale insesjonssetet tar med nærliggende genomisk DNA fra verten 5

6 MEKANISMER FOR HGT 3. KONJUGASJON Overføring av DNA mellom bakterier ved direkte kontakt DONOR MOTTAKER Spredning av resistens plasmider, kromosomale resistenselementer MODELL GRAM-NEGATIV KONJUGASJON (1) Mottakercelle Type IV secretion system (T4SS) Mpf mating pair formation Dtr DNA processing and transfer B2 Yttermembran B4 B11 D2 Cabezón 2014 FEMS Microbiol Rev doi: / Indre membran D2 - relaxase D4 - coupling protein B2 pilin B5 distal adhesin B4 - ATPase motor B11 - ATPase motor 6

7 MODELL GRAM-NEGATIV KONJUGASJON (2) Yttermembran Indre membran D4 D2 B4 B11 D2 - relaxase D4 - coupling protein B4 - ATPase motor B11 - ATPase motor Cabezón 2014 FEMS Microbiol Rev doi: / GENETISKE ELEMENTER INVOLVERT I SPREDNING Genetisk element Rolle i spredning 1) Bakteriofag Kan overføre gener mellom celler 2) Plasmid Kan overføre egne gener mellom celler Kan mobiliserer andre elementer 3) Integrative konjugative Overfører egne gener mellom celler elementer (ICE) Kan mobiliserer andre elementer 4) Genomisk øy Kan overføre gener mellom celler kalles da ICE Kan mobilisere andre elementer 5) Transposable elementer Beveger seg innad i cellen Kan mobilisere andre gener innad i cellen 6) Integron gen kassett Fri sirkulær form mobiliseres mellom integroner 7

8 GENETISKE ELEMENTER 1) BAKTERIOFAG Virus som infiserer prokaryoter Reproduksjon gir vanligvis celledød (DNA/RNA) Koder for: spesifikk replikase komponenter som styrer vertens replikasjonsmaskineri proteiner som pakker DNA i protein kappe Komponenter som styrer lysering av vertscella Transduksjon hovedsaklig hos kb dobbelttrådede DNA fag EKSEMPEL S. PYOGENES RESISTENSFAG Resistensegenskaper: mef(a) erytromycin tet(o) tetracyklin Brenciani 2010 AAC 54:221-9 Spredningsegenskaper: - komponenter som styrer vertens DNA replikasjon - proteiner som pakker DNA i protein kappe - komponenter som styrer lysering av vertscella 8

9 GENETISKE ELEMENTER 2) PLASMID Sirkulært, ekstrakromosomalt element som har autonom replikasjon (replikon) Smalt eller bredt vertsspekter Ofte bærere av virulens- og resistensgener SELVOVERFØRBART (KONJUGATIVT) PLASMID - koder for alle funksjoner for bevegelse mellom celler - hjelper til å overføre kromosomalt DNA og mobiliserbare plasmider MOBILISERBART PLASMID - bruker konjugative system fra konjugative elementer - koder for noen proteiner nødvendig for overføring - enkleste system har kun orit lik konjugativt plasmid - orit sekvens som kjennes igjen og kuttes av relaxasen EKS. S. AUREUS RESISTENSPLASMID Resistensegenskaper: vana - vankomycin aaca-aphd - aminoglykosider qacc - desinfeksjonsmidler dfra - trimethoprim blaz - beta-laktamer Overførings/ mobiliseringsegenskaper: IS/transposon tra - overføringsfunksjoner Weigel 2003 Science 302:

10 GENETISKE ELEMENTER 3) INTEGRATIVE KONJUGATIVE ELEMENTER (ICE) Selvoverførbare elementer som integrerer i genomet hjelper til å overføre kromosomalt DNA og mobiliserbare plasmider Veldig divers gruppe Inkluderer konjugative transposon Koder for: integrasjon og utklipping: konjugativ overføring og regulering ofte antimikrobiell resistens Juhas 2014 Microbiol Res doi: /j.micres EKS. TN916 FAMILIEN AV ICE orit P tetm P orf7 IR tra genes and orit tetm xis int IR Overføring kan induseres av tetracyklin (Celli 1998 Mol Microbiol 28: ) Transkripsjon av tra gener fra P orf7 avhengig av sirkulært transposon 10

11 GENETISKE ELEMENTER 4) GENOMISK ØY (GI) Kromosomal region ( kb) G+C innhold og kodon bruk ulik fra omkringliggende DNA Integreres i spesifikke seter (ofte trna) MOBILISERBAR GI - mobilitetsgener (integraser/ transposaser) kreves for kromosomal integrasjon og delesjon FORANKRET GI - deletert/mutert integrase/ transposase immobil KONJUGATIV GI = SETESPESIFIKK ICE - maskineri for konjugasjon i tillegg til mobilitet EKS. MULTIRESISTENTE KONJUGATIVE GI HOS V. CHOLERAE O139/O1 Mobilitetsgener Transfergener O139 O1 Resistensdeterminanter Burrus 2006 Plasmid 55:

12 GENETISKE ELEMENTER 5) TRANSPOSABLE ELEMENTER DNA enheter som beskrives som jumping genes Forflytter seg innad i cellen både mellom og innad på replikon Insesjonssekvenser (IS) Minste transposon struktur som vanligvis bare koder for transposase Kompositt transposon To IS kopier som kan bevege mellomliggende DNA Enkle transposon Koder for transposisjon + noe mer som resistens Eks Tn3 familien Hegstad et al., Clin Microbiol Infect 16: TRANSPOSISJON Fremmes av transposaser som gjenkjenner spesifikke regioner i DNA rekombinasjon 12

13 GENETISKE ELEMENTER 6) INTEGRON GENKASSETTER Lokalisert nedstrøms for sterk promoter og konservert integrase Fri sirkulær form mobiliseres mellom integroner INTEGRON (hovedsakelig hos G- bakterier) - IKKE mobilt element - ofte assosiert med Tn og/eller konjugativt plasmid - naturlig kloning og genuttrykkssystem; inkorporerer promoterfrie genkassetter ved setespesifikk rekombinasjon INTEGRONER - GENREKRUTTERERE - Sterk promoter - Primært rekombinasjonssete - Rekombinasjonssete Integrase Cambray 2010 Annu Rev Genet 44:

14 MULTI-RESISTANCE INTEGRON IN K. PNEUMONIAE Pournaras 2010 JAC 65: inti1 blavim-19 aaca6/aada1 dfra1 sul1 - integrase - metallo-β-lactamase - aminoglycoside resistance - trimethoprim resistance - sulfonamide resistance ASSOSIASJON AV ULIKE ELEMENTER TIL NYE STRUKTURER Tn/plasmider som bærer integroner Transposon innen annet transposon Fusjon ved IS elementer Hybridstrukturer; modulutveksling mellom ulike elementer Vanskelig å klassifiserer elementer etter klassisk terminologi 14

15 Multidrug-resistant A. baumannii strain 86-kb resistance island Fournier 2006 PLoS Genetics 2:62-72 OPPSUMMERING; MEKANISMER FOR HGT DONOR CELLE PLASMID TRANSFORMASJON NAKENT DNA KONJUGASJON TRANSDUKSJON KROMOSOM BAKTERIOFAG MOTTAKER CELLE Inspired from 15

16 OPPSUMMERING; TYPER MOBILE ELEMENTER SOM KAN BIDRA TIL HGT 4. Genomic islands; large chromosomal region with site specific integration 6. Integrons; Gene recruiter and expression systems which incorporate gene cassettes through site specific recombination 1. Bacteriophage; phage that enter bacteria which may incorporate and transfer bacterial DNA Cellevegg 2. Plasmids; circular, self-replicating extra-chromosomal DNA molecules, can encode it s own transfer by conjugation 3. Integrative conjugative elements (ICE)/mobile genomic islands; selftransferable elements that recombines into the genome 5. Transposable elements; DNA units able to move/change place in the genome Kromosomalt DNA OPPSUMMERING; EGENSKAPER HOS MOBILE ELEMENTER / ICE /+ Modifisert fra Hacker 2004 Int J Med Microbiol 293: