Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посмотрите новые поступления ... Обратите внимание!
 
  Наука >> Медицина | Научные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

Генетические механизмы устойчивости актиномицетов к аминогликозидным антибиотикам

Федоренко В.А.

Львовский университет им. И. Франко, Украина

В начало...


Механизмы резистентности бактерий к аминогликозидам (АГ) являются предметом многих исследований. Основная причина внимания к этой проблеме - широкое распространение бактерий - возбудителей инфекций, устойчивых к АГ. Обширная информация, полученная при изучении клинических изолятов резистентных к антибиотикам бактерий, позволила установить основные особенности структуры и функции генов аминогликозидорезистентности и их продуктов. Эти гены являются моделью для изучения происхождения, эволюции и механизмов распространения генов антибиотикорезистентности в природе [1, 2].

Актиномицеты - особенно интересный объект с точки зрения анализа механизмов антибиотикорезистентности. Для актиномицетов - продуцентов большинства известных антибиотиков, характерна природная множественная устойчивость к антибиотикам. Они рассматриваются как источник генетических детерминант устойчивости к антибиотикам в природе [1]. Гены актиномицетов, контролирующие биосинтез антибиотиков и устойчивость к ним, обычно сцеплены и согласованно функционируют. Эффективная экспрессия генов резистентности может быть одним из основных факторов достижения высокой антибиотической активности штаммов актиномицетов. Поэтому изучение генетического контроля устойчивости актиномицетов к АГ весьма важно также и для конструирования и селекции продуцентов этих антибиотиков.

Изучение большой коллекции представителей рода Streptomyces показало, что резистентность к АГ редко встречается у штаммов, которые их не продуцируют [3]. Информация о генетическом контроле устойчивости актиномицетов к АГ ограничена, в основном, данными о штаммах-продуцентах АГ. Резистентность к АГ у них определяется двумя механизмами - ферментативной инактивацией антибиотиков и (или) модификацией мишени - метилированием 16S рРНК 30S субъединицы рибосомы. У продуцентов АГ не обнаружены механизмы устойчивости к собственному антибиотику, связанные с его выбросом [4].

Ферментативная инактивация АГ у актиномицетов

У актиномицетов встречаются два типа ферментативной модификации АГ - N-ацетилирование аминогрупп (ААС-активность) и O-фосфорилирование гидроксилов (АРН-активность) (табл. 1). Кофакторами для этих реакций служат соответственно ацетил-КоА и АТФ. О-Аденилирование, характерное для других бактерий, не обнаружено у актиномицетов - продуцентов АГ. Как фосфотрансферазы, так и ацетилтрансферазы разных актиномицетов существенно различаются между собой по специфичности действия. Это определяет большое разнообразие фенотипов АГ-резистентности. У продуцентов родственных АГ обнаружены сходные ферменты, инактивирующие антибиотики. Поэтому рассмотрение этих ферментов целесообразно вести по определенным группам штаммов-продуцентов.

Таблица 1. Ферментативная модификация аминогликозидов у актиномицетов - продуцентов этих антибиотиков
Штамм Продуцируемый антибиотик Фермент Спектр устойчивости Ген Литература
Streptomyces fradiae Nm AAC(3)-VIII Nm aac(3)-VIIIa (aacC8) [6,7]
APH(3')-V Nm, Pm, Rm aph(3')-Va (aph5A) [9]
AAC(2') Bt [61]
Micromonospora chalcea Nm AAC(3)-IX Nm aac(3)-IXa (aacC9) [7]
APH(3')-V Nm, Pm, Rm aph(3')-Vc
S.rimosus forma paromomycinus Pm AAC(3)-VII Pm aac(3)-VIIa (aacC7) [8]
APH(3') Pm pph [62]
S.kanamyceticus Km AAC(6') Km, Db, Rm (Am, Bt, Nm) kmI [12, 16], [17, 24]
S.tenebrarius Nb AAC(6')
AAC(2')
APH(6)
Km, Db, Nm, Rm, Pm   [13]
S.hygroscopicus HgB HPH(7") HgB aph(4)-Ib (hyg) [4, 18, 19]
Streptoverticillium eurocidicus HgB HPH(7") HgB hygVI, hygV2 [4]
S.flavopersicus Sp APH(6) Sp spcN [20]
S.ribosidificus Rm AAC(3)
APH(3')-V
Nm, Pm, Rm aph(3')-Vb
(aphA-5b, rph)
[63]
S.lividus Lm AAC(3)
APH(3')
Lm
Lm
  [64]
S.griseus Sm APH(6)-I Sm aph(6)-Ia (aphD, strA) [10, 21]
APH(3")-Ia Sm aph(3")-Ia(aphE) [10, 22]
AAC(3)-X Km, Db, Gm, Nm, Pm aac(3)-Xa (kan) [30-32]
S.glaucescens HSm APH(6)-I Sm, HSm aph(6)-Ib (strA, sph) [10, 23]
S.bikiniensis Sm APH(6)-I
SPH(3"-$\alpha$)
Sm   [65]
Примечание: Am - амикацин, Bt - бутирозин, Db - дибекацин, Gm - гентамицин, HgB - гигромицин В, HSm - гидроксистрептомицин, Lm - ливидомицин, Km - канамицин, Nb - небрамициновый комплекс, Nm - неомицин, Pm - паромомицин, Rm - рибостамицин, Sm - стрептомицин, Sp - спектиномицин. Названия ферментов и генов, которые их кодируют, приведены в соответствии с номенклатурой Shaw и соавторов [2] или же так, как указано в работах авторов.

Фepмeнтaтивнaя мoдификaция AГ у продуцентов антибиотиков неомициновой группы. У данной группы продуцентов - S.fradiae, S.rimosus forma paromomycinus, Micromonospora chalcea идентифицированы ферменты, ацетилирующие аминогруппы АГ в 3-положении (ААС (3)-активность) и фосфорилирующие гидроксильные группы в 3'-положении (АРН (3')-активность). Рибосомы этих продуцентов остаются чувствительными к АГ во время их синтеза [5, 6].

Гены аминогликозидацетилтрансфераз у продуцентов неомицина S.fradiае (аасС8) и М.сhаlсеа (аасС9) близки по размерам (кодирующие последовательности составляют соответственно 861 и 846 п.н.). Показан высокий уровень гомологии (66-72%) аасС генов S.fradiae, M.chalcea и S.rimosus forma paromomycinus, а также аминокислотных последовательностей соответствующих ацетилтрансфераз. Интересно, что функции кодонов различны в генах аас у Micromonospora и Streptomyces. Доля G и С в третьих позициях кодонов у M.chalcea составляет 70% против 95% у S.fradiae и 92% - у S.rimosus forma paromomycinus. Возрастание процента А и Т в гене аас М.chalcea связано с наличием редких для актиномицетов кодонов - ТТА, GTA, TСТ, ССА. В АСС-белках S.fradiae, М.chalcea и S.rimosus forma paromomycinus обнаружены определенные консервативные районы. Некоторые из них, как предполагается, участвуют в связывании ацетил-КоА. Гены аасС8 и aphA5 (кодирует АРН(3') у S.fradiae) экспрессируются конститутивно и не сцеплены. Ген aphA5 входит в кластер генов биосинтеза неомицина. Его продукт, очевидно, в отличие от ААС (3), прямо участвует в биосинтезе антибиотика. Главная же роль ААС (3) состоит в модификации экзогенного антибиотика [5, 7, 8].

Промотор гена aphA5 S.fradiae [9] перекрывается с противоположно направленным промотором неидентифицированного гена. Предполагают, что это один из генов синтеза неомицина. Инактивация промоторов генов устойчивости может нарушать и экспрессию генов биосинтеза. Это достаточно эффективный способ защиты клеток от собственных антибиотиков при повреждении экспрессии гена резистентности. Регуляторные элементы гомологичных аасС-генов S.fradiae, S.rimosus forma paromomycinus и M.chalcea сильно отличаются между собой. Подобная ситуация обнаружена и для регуляторных элементов генов aph, входящих в кластеры генов биосинтеза стрептомицина S.griseus и S.glaucescens [10]. Это противоречит представлению о том, что кластеры генов биосинтеза антибиотиков и устойчивости к ним могут переноситься между видами как единое целое. Сравнение с известными ААС указывает на значительную гомологию между ААС(3) актиномицетов - продуцентов неомицина и паромомицина и класса белков ААСIII, кодируемых плазмидами антибиотикорезистентности из клинических штаммов грамотрицательных бактерий [2]. Гипотеза о происхождении генов антибиотикорезистентности из организмов- продуцентов антибиотиков находит еще одно подтверждение при исследовании бифункционального гена, который, вероятно, возник вследствие слияния генов. Он кодирует две ферментативные активности: ААС(6') и АРН(2") и входит в плазмиду рIР800 Streptococcus faecalis. Нуклеотидная последовательность участка этого гена, кодирующего N-концевой участок фермента, гомологична гену хлорамфениколацетилтрансферазы из Bacillus pumilus, а кодирующая С-концевой участок, гомологична гену aph продуцента неомицина S.fradiae [11].

Ферментативная инактивация АГ у продуцентов антибиотиков канамициновой группы. Ферменты, модифицирующие АГ, обнаружены только у продуцента небрамицинового комплекса S.tenebrarius (ААС(2') и ААС(6')) и продуцента канамицинов S.kanamyceticus (ААС(6')) (см. табл. 1) [12, 13]. Кроме ААС(6'), S.kanamyceticus содержит фермент N-ацетилканамицинаминогидролазу, способный восстанавливать ацетилированный канамицин в его биологически активную форму. Активность ААС(6') быстро возрастает во время лаг-периода и затем резко падает в начале периода логарифмического роста. Синтез антибиотика начинается именно в этом периоде и достигает максимума в стационарной фазе [14]. Таким образом, активность ААС(6') не является фактором, определяющим АГ-резистентность S.kanamyceticus во время активного синтеза канамицина. В то же время активность N-ацетилканамицинаминогидролазы увеличивается с ростом культуры и коррелирует с антибиотической активностью культуры [11, 15].

О клонировании гена S.kanamyceticus, кодирующего ААС(6'), сообщали Murakami et al. [16] а также Crameri, Davies [17]. Однако данные о структуре гена отсутствуют. При клонировании гена аас в высококопийном векторе pIJ702 в S.lividans 66, S.kanamyceticus АТСС 12853 и S.fradiae ATCC 10745 наблюдали различные фенотипы АГ-резистентности реципиентных штаммов. Эти данные показывают, что спектр АГ-резистентности, детерминируемый клонированным геном, зависит от определенного генетического "фона", специфичного для каждого реципиента. Исследованные трансформанты S.kanamyceticus и S.fradiae значительно превышали по уровню синтеза канамицина и неомицина исходные штаммы. Это, по мнению авторов, доказывает, что специфическая амплификация гена аас(6') обеспечивает условия для лучшего синтеза антибиотиков и указывает на его участие в этом процессе [17]. Однако вопрос о возможном участии ААС(6') S.kanamyceticus в биосинтезе антибиотика остается открытым.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования