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 ERVERVING AV ANTIBIOTIKARESISTENS Slide fra Julian Davies
MUTASJONER NYE EGENSKAPER Normalt protein Antibiotikum Mutert protein X Cellevegg Kromosomalt DNA 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
MEKANISMER FOR HGT 1. TRANSFORMASJON Inkorporering av ekstracellulært DNA inn i mottakercella DNA Bacterial cell Eksempel: Utvikling av pbp mosaikkstruktur i pneumokokker med høygradig resistens mot penicillin (Dowson 1989 PNAS USA 86:8842-6) 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 (Giovanetti 2005 JAC 55:455-51) MEKANISMER FOR HGT 3. KONJUGASJON Overføring av DNA mellom bakterier DONOR MOTTAKER Spredning av resistens plasmider, kromosomale resistenselementer
MODELL FOR KONJUGATIV DNA OVERFØRING Transferregion hos R388 G- plasmid Selektor; kutter & separerer tråder i orit Koblingsprotein; kobler selektor med DNA sekresjon DNA sekresjonskompleks Kobling og transport av nukleoprotein Aktiv pumping av enkelttrådet DNA orit Llosa 2005 Res Microbiol 156:1-6 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 GENETISKE ELEMENTER 1) BAKTERIOFAG Koder for: spesifikk replikase komponenter som styrer vertens replikasjonsmaskineri proteiner som pakker DNA i protein kappe Transduksjon hovedsaklig hos 50-100 kb dobbelttrådede DNA fag
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 GENETISKE ELEMENTER 2) PLASMID Sirkulært, ekstrakromosomalt element som har autonom replikasjon (replikon) 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 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 302:1569-71
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: utklipping integrasjon konjugativ overføring og regulering ofte antimikrobiell resistens KONJUGATIV TRANSPOSON TN916 FAMILIEN AV ICE orit P tetm P orf7 IR tra genes and orit tetm xis int IR tra intxistetm Overføring kan induseres av tetracyklin (Celli 1998 Mol Microbiol 28:103-117) Transkripsjon av tra gener fra P orf7 avhengig av sirkulært transposon GENETISKE ELEMENTER 4) GENOMISK ØY (GI) Kromosomal region (10-500 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
MULTIRESISTENTE KONJUGATIVE GI HOS V. CHOLERAE O139/O1 Mobilitetsgener Transfergener O139 O1 Resistensdeterminanter Burrus 2006 Plasmid 55:173-83 GENETISKE ELEMENTER 5) TRANSPOSON ( JUMPING GENE ) Bevege seg fra ett sete i DNAet til ett annet Fremmes av transposaser som gjenkjenner spesifikke regioner i DNA rekombinasjon INSESJONS SEKVENSER (IS) - minste transposonstruktur som vanligvis bare koder for transposase - to kopier kan bevege mellomliggende DNA KOMPLEKST TRANSPOSON Rice 2002 Cell Mol Life Sci 59:2023-32
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 Chambray 2010 Annu Rev Genet 44:141-65 MULTI-RESISTANCE INTEGRON IN K. PNEUMONIAE Pournaras 2010 JAC 65:1604-7 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 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 http://textbookofbacteriology.net/themicrobialworld/bactresanti.html
OPPSUMMERING; EGENSKAPER HOS MOBILE ELEMENTER / ICE /+ Modifisert fra Hacker 2004 Int J Med Microbiol 293:453-61