D:\kosmos\Kosmos 3-2002\3-2002.VP

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of D:\kosmos\Kosmos 3-2002\3-2002.VP

  • MIROSAWA WODARCZYKZakad Genetyki BakteriiInstytut MikrobiologiiUniwersytet WarszawskiMiecznikowa 1, 02-096 Warszawamiraw@biol.uw.edu.pl

    RNORODNO CECH FENOTYPOWYCH BAKTERII KODOWANYCH PRZEZPLAZMIDY

    W zalenoci od wielkoci czsteczki, pla-zmidy nios geny kodujce od kilku do kilkusetrnych biaek. Jednake, jak ju wspomniaamw poprzednim artykule, produkty genw o pla-zmidowej lokalizacji nie s niezbdne do wzro-stu komrki w standardowych (normalnych)warunkach. Na plazmidach nie znajdziemywic genw kodujcych polimeraz RNA, pod-jednostki rybosomw, enzymw cyklu Krebsaitp. W rzadkich przypadkach, gdy na plazmi-dzie stwierdzamy obecno tego typu genw,lub gdy nie jestemy w stanie usun replikonuuznawanego za plazmid z komrki, mamy pod-stawy do podjcia rozwaa czy istotnie mamydo czynienia z plazmidem, czy te jest to repli-kon niezbdny do ycia komrki, a wic chro-

    mosom. Przypominam, e od modelowej zasa-dy, i jedna komrka bakteryjna zawiera jedenchromosom s wyjtki; przykadem mog byniektre gatunki Rhizobium i Paracoccus.Geny o lokalizacji plazmidowej daj bakteriomselekcyjn przewag w pewnych specjalnychwarunkach, czsto wrcz umoliwiajc imprzeycie. Powstaje zatem pytanie, dlaczegogeny te nie s po prostu czci chromosomu,tak aby wszystkie bakterie w sytuacjach niety-powych mogy odnosi korzy z ich obecno-ci. Dyskusja tego problemu zostanie podjtana kocu artykuu, po przedstawieniuprzegldu rnorodnoci funkcji fenotypo-wych kodowanych przez geny plazmidowe.

    TYPY GENW OBECNYCH NA PLAZMIDACH

    Wrd genw obecnych na plazmidachmoemy wyrni dwa ich podstawowe typy.Pierwszy, to geny absolutnie niezbdne dlafunkcjonowania plazmidu jako autonomiczne-go replikonu i obecne w kadym plazmidzie, awic geny i sekwencje (np. oriV), niezbdnedo replikacji i stabilnego utrzymywaniaczsteczki plazmidu w komrce. Drugi typ, towszystkie pozostae geny stanowice dodat-kowe wyposaenie plazmidu, od ktrych zale-y rnorodno fenotypw kodowanychprzez plazmidy, lecz ktre nie s niezbdnymelementem skadowym kadego plazmidu. Na

    Ryc. 1 w schematyczny sposb przedstawionozoono struktury plazmidu, wyrniajc wobrbie jego czsteczki kilka umownych mo-duw strukturalno-funkcjonalnych (THOMAS2000).

    Plazmid zawierajcy tylko modu replika-cyjny, bdzie spenia kryteria definicji pla-zmidu, lecz jego obecno nie bdzie nadawaakomrce gospodarza adnych specjalnych fe-notypowych waciwoci odrniajcych j odkomrki bezplazmidowej. Bdzie to wic pla-zmid sensu stricto kryptyczny. Zwracam uwa-g, e mianem plazmidu kryptycznego okrela-

    Tom 51, 2002

    Numer 3 (256)

    Strony 241254

  • my te zwyczajowo plazmid zidentyfikowanypoprzez wykrycie w komrce fizycznej obec-noci DNA plazmidowego, lecz ktrego obec-noci nie kojarzymy (na tym etapie analizy) zokrelon cech fenotypow komrki gospo-darza. Geny warunkujce replikacj czsteczkiplazmidu s zazwyczaj skupione na jednymfragmencie DNA plazmidowego, ktry w du-ych plazmidach stanowi niewielki procentcaego genomu. Identyfikacja takiego fragmen-tu i wyposaenie go w marker selekcyjny po-zwala na konstrukcj pochodnej plazmidu za-wierajcej tylko modu replikacyjny. Taki mini-malny replikon jest niezwykle przydatny w mo-lekularnej analizie systemu replikacyjnego pla-zmidu macierzystego.

    Kolejny wyrniony zesp genw to genyodpowiedzialne za horyzontalny transfer pla-zmidw (autotransfer drog koniugacji lubtransfer wspomagany obecnoci innego pla-zmidu, tzw. mobilizujcego). S one bardzo wa-ne dla moliwoci rozprzestrzeniania si pla-zmidw w rodowisku, lecz ich brak nie powo-duje zaburze w funkcjonowaniu plazmidu wkomrce.

    Modu zaznaczony na schemacie jako se-kwencje insercyjne to okrelenie umowne; se-kwencje IS nie s oczywicie zgrupowane wjednej czci genomu plazmidowego, stanowijednak skadnik bardzo wany, odpowiedzial-ny gwnie za wszelkiego rodzaju przegrupo-wania genw w obrbie czsteczki plazmiduoraz ich transfer midzy rnymi replikonamiw komrce. Czsto sekwencje IS ograniczajinne zespoy genw (np. opornociowych)tworzc due, zoone elementy mobilne,transpozony. O istotnym znaczeniu sekwencjiinsercyjnych w funkcjonowaniu i ewolucji pla-zmidw wiadczy moe ich stosunkowo dua(w porwnaniu do chromosomw) zawartow plazmidach (MAHILLON i wspaut. 1999).

    Na schemacie najwikszy obszar zajmujemodu grupujcy geny zwizane z rnymi ce-chami fenotypowmi gospodarza, zwykle meta-boliczno-fizjologicznymi, wynikajcymi zobecnoci plazmidu. W konkretnych plazmi-dach takich genw moe by rna liczba, awielko obszaru tego moduu ma raczej obra-zowa oglny ogromny zakres rnorodnocitych cech. W kadym plazmidzie wystpujepewna frakcja sekwencji DNA, ktrych funkcjinie znamy, pozostaje to prawdziwe nawet wodniesieniu do plazmidw o kompletnie po-znanej sekwencji nukleotydowej. Ten obszaroznaczono jako rejon cichy (ang. silent).

    CECHY FENOTYPOWE BAKTERII DETERMINOWANE PRZEZ GENY PLAZMIDOWE

    Cech takich jest niezwykle duo, dlategote dla zwikszenia przejrzystoci opisu w Ta-beli 1 zgrupowano je w kilka powszechnie wy-rnianych typw, aby nastpnie, na wybra-nych przykadach omwi niektre z nich bar-dziej szczegowo.

    OPORNO NA ANTYBIOTYKI ICHEMIOTERAPEUTYKI

    Cecha opornoci bakterii, zwaszcza choro-botwrczych, na antybiotyki jako najbardziej

    bezporednio dotykajca czowieka, bya oddawna i wci jest przedmiotem bardzo inten-sywnych bada naukowcw na caym wiecie.Cecha lekoopornoci jest te fenotypem bakte-rii najpowszechniej kojarzonym z obecnociw nich plazmidw z grupy tzw. opornocio-wych (plazmidy R), chocia naley pamita,e geny warunkujce oporno bakterii na an-tybiotyki mog by te zlokalizowane w chro-mosomie komrki. Jednak oporno kodowa-na plazmidowo istotnie jest przedmiotemszczeglnego zainteresowania, co wynika z kil-

    242 MIROSAWA WODARCZYK

    Rejon replikacyjny

    Genyzwizane

    z transferemkoniugacyjnym

    Sekwencjeinsercyjne

    Rejoncichy

    Geny zwizanez warunkowanymprzez plazmid

    fenotypem

    Ryc. 1. Typy genw wystpujce w czsteczceplazmidowej.

    Rejon replikacyjny to modu absolutnie niezbdny wplazmidzie, pozostae grupy genw mog lecz niemusz by obecne.

  • ku powodw. Po pierwsze, bardzo czsto pla-zmidy nios genetyczne determinanty oporno-ci na wicej ni jeden antybiotyk rwnocze-

    nie, co a priori stwarza utrudnienie w terapii,po drugie, w naturalnych plazmidach oporno-ciowych genetyczne determinanty opornoci

    Rnorodno cech fenotypowych bakterii kodowanych przez plazmidy 243

    Tabela 1. Przykady fenotypw zalenych od obecnoci plazmidw

    Fenotyp Plazmid Naturalny gospodarz

    Oporno na antybiotyki i inne leki

    Tetracyklina

    StreptomycynaChloramfenikolPenicylinaErytromycynaSulfamidy

    RP4NR1R6KR938R6KpIP1527pSa

    Pseudomosnas aeruginosa

    Shigella flexneri

    Proteus rettgeri

    Serratia marcescens

    Proteus rettgeri

    Escherichia coli

    Shigella sp.

    Oporno na jony metali cikich

    Rt

    Kadm, cynk, kobaltMiedArsen

    NR1(Tn21)pI258pMOL30pRJ1004R773

    Shigella flexneri

    Staphylococcus aureus

    Ralstonia eutropha

    Pseudomonas syringae

    Escherichia coli

    Produkcja antybiotykw i bakteriocyn

    MetylenomycynaKolicyna E1Kloacyna DF13Megacyna BII

    pSCP1ColE1CloDF13pSE203

    Streptomyces coelicolor

    Escherichia coli

    Enterobacter cloaceae

    Bacillus megaterium

    Katabolizm toksycznych zwizkw

    Toluen(inne przykady patrz Tabela 2)

    TOL (pWWO) Pseudomonas putida

    Patogenno bakterii

    Produkcja hemolizyny

    Czynnik wirulencji

    Antygen kolonizacyjny

    Adhezyna YadA

    Wirulencja

    pJH1pX01pK88pYVpMYSG6000

    Streptococcus faecalis

    Bacillus anthracis

    Escherichia coli

    Yersisnia spp.Shigella flexneri 2a

    Interakcje z rolinami

    Rakowate guzy rolinKdzierzawo korzeniTworzenie brodawek korzeniowychWizanie azotu

    pTipRipPN1pIJ1007

    Agrobacterium tumefaciens

    Agrobacterium rhizogenes

    Rhizobium leguminosarum

    Rhizobium leguminosarum

    Zdolno do koniugacji

    FRK2NR1pAD1pSCP1

    Escherichia coli

    Klebsiella aerogenes

    Shigella flexneri

    Enterococcus fecalis

    Streptomyces coelicolor

    Inne waciwoci

    Tworzenie pcherzykw gazowychPigmentacjaFermentacja laktozyWykorzystywanie sacharozy

    pHH1pPL376pLM3601CTnscr94

    Halobacterium sp.Erwinia herbicola

    Streptococus cremoris

    Salmonella senftenberg

  • na antybiotyki s czsto czci skadow ru-chomych elementw genetycznych, transpo-zonw. Ponadto plazmidy opornociowe szwykle zdolne do koniugacyjnego transferuswego DNA. Wszystkie te cechy sprzyjaj nie-bezpiecznemu rozprzestrzenianiu si cechyopornoci na antybiotyki w rodowisku (takeszpitalnym!).

    Poniewa problemowi plazmidowo kodo-wanej opornoci na antybiotyki powiconyjest oddzielny artyku (patrz art. J. PORTYKUS wtym zeszycie KOSMOSU), w tym miejscu po-przestan na podkreleniu kilku wanych ogl-nych aspektw tego zagadnienia. Najoglniejmwic antybiotyki mona podzieli na kilkakategorii w zalenoci od mechanizmu ichdziaania: takie ktre (i) oddziauj na syntezciany komrkowej bakterii (-laktamy), (ii)naruszajce integralno bony cytoplazma-tycznej (polimyksyna), (iii) hamujce metabo-lizm kwasw nukleinowych (kwas nalidykso-wy, aktynomycyna D) lub (iv) hamujce synte-z biaek (chloramfenikol, streptomycyna).Bakterie wyksztaciy szlaki opornoci tak r-norodne, e potrafi one zapobiec skuteczne-mu dziaaniu kadego z wymienionych mecha-nizmw. Oporno na antybiotyk wynikamoe na przykad z: (i) detoksyfikacji lub inak-tywacji antybiotyku, (ii) zmniejszenia poziomupobierania antybiotyku lub jego aktywne usu-wanie z komrki, (iii) nadprodukcji komrko-wego celu dziaania antybiotyku (tzw. tarczy),lub z jej modyfikacji, (iv) wytworzenia zastp-czego wobec zahamowanego przez antybiotykkompletnego szlaku metabolicznego lub tylkojego zablokowanego etapu, czyli tzw. mecha-nizm bypass. Tylko niektre z drg zyskiwa-nia opornoci na antybiotyk mog wynika zpojedynczej