Nowy gen odporności na antybiotyki u S. pyogenes
Kasia Kuleszewicz | 2007-03-05
Powszechnie znane bakterie paciorkowca ropnego (Streptococcus pyogenes) nabyły odporność, która zabezpiecza je przed toksycznym działaniem antybiotyków makrolidowych używanych w walce z infekcjami przez nie powodowanymi, a także przed infekującymi je bakteriofagami. Badania wykazały, że u podstaw tej odporności leży nowonabyty gen, spyIM kodujący metyltransferazę M.SpyI. Nabycie tego genu może być zwiastunem szybszego niż się spodziewano rozprzestrzeniania się odporności na antybiotyki, a tym samym narastającego problemu walki z infekcjami bakteryjnymi u ludzi.
Odkrycia dokonali naukowcy z Uniwersytetu Rockefellera w Nowym Yorku, wyniki badań opublikowano w Journal of Bacteriology.
Paciorkowiec ropny - Streptococcus pyogenes jest gram-dodatnią bakterią, patogenem ludzi, kolonizującą bezobjawowo górne drogi oddechowe oraz skórę. Może ona także wywołać szereg objawów chorobowych o różnym stopniu nasilenia, zaczynając od łagodniejszego paciorkowcowego zapalenia gardła czy liszajca do groźniejszych takich jak paciorkowcowy szok toksyczny czy nekroza tkanek (przez którą bakterię nazywa się także "pożeraczem tkanek").
Infekcje spowodowane działalnością S.pyogenes mogą być leczone penicyliną, antybiotykiem należącym do grupy β–laktamowych. Jednak w ostatnim czasie do terapii tego typu infekcji zaczęto używać alternatywnych substancji, antybiotyków makrolidowych, takich jak azitromycyna czy erytromycyna. W tym samym czasie jednak zauważono wzrost odporności bakterii S. pyogenes na makrolidy, co wzbudziło niepokój o losy pacjentów nadwrażliwych na antybiotyki β–laktamowe.
Odporność na antybiotyki makrolidowe u Streptococcus przypisana została obecności jednego z trzech genów: ermB, ermTR, mefA. Pierwsze dwa geny kodują enzymy metyltransferazy (MTazy). Działanie metyltransferaz związane z odpornością bakterii na antybiotyki polega na tym, iż modyfikują one zakonserwowaną pozycję adeniny na cząsteczce 23s RNA, która jest celem działania antybiotyku. Tak zmieniona pozycja jest odporna na niszczące działanie substancji skierowanej przeciw niej. Gen mefA koduje natomiast białkowe składniki pompy "wypompowującej" antybiotyk z komórki bakterii (Streptococci posiadające go nazywane są one bakteriami o fenotypie M). Gen jest obecny w wielu filogenetycznie niezwiązanych serotypach S.pyogenes i wielu rejonach świata jest głównym powodem odporności tych bakterii na antybiotyki makrolidowe.
Wcześniejsze badania wykazały, że gen mefA i odporność na erytromycynę mogą być nabyte przez bakterię na drodze mechanizmu poziomego transferu genów, czyli wtedy gdy geny pochodzące od jednego organizmu są włączane do genomu drugiego.
Podczas badań naukowcy zasugerowali, że wzrost odporności na antybiotyki makrolidowe przez wykształcanie pompy wyrzucającej antybiotyk z komórki bakterii może być wynikiem nabycia i rozpowszechnienia sekwencji chimerycznych o właściwościach transpozonów zawierających gen mefA (gen mefA występował na trzech chimerycznych sekwencjach DNA o właściwościach transpozonów).
Naukowcy testowali klonalność (czyli identyczność genetyczną komórek) szczepów bakterii S.pyogenes odpornych i wrażliwych na makrolidy. W tego typu analizach, genomowy DNA bakterii jest trawiony przy użyciu endonukleazy SmaI, a następnie otrzymane fragmenty są rozdzielane podczas elektroforezy pulsacyjnej (pulsed field gel electrophoresis – PFGE) i analizowane. Użycie endonukleazy SmaI pozwala naukowcom otrzymać serię fragmentów o wcześniej przewidzianych wielkościach. Wszelkie różnice lub podobieństwa w liczbie i rozmiarach fragmentów pozwalają natomiast na szybkie wykrycie zmian sekwencji genomu bakterii.
Analiza klonalności S.pyogenes odpornego na erytromycynę nie była jednak taka prosta. Naukowcy nie otrzymywali spodziewanych fragmentów po trawieniu endonuklezą SmaI. To sprawiło, że przeanalizowali oni dokładnie sekwencję genomową bakterii, która ujawniła obecność nowego genu, nazwanego spyMI, kodującego metyltranzferazę M.SpyI. Enzym ten dołącza metylowe grupy w specyficznych sekwencjach cząsteczki DNA, zmieniając genom bakterii i uniemożliwiając cięcie go SmaI.
Naukowcy stwierdzili, że obecność tego genu sprawia, że bakterie te są odporne na antybiotyki makrolidowe oraz na infekcje bakteriofagów. Odporność na antybiotyki spowodowana jest specyficzną metylacją DNA, która sprawia, że antybiotyki makrolidowe nie mogą atakować w dotychczasowych celów, bo są one niespecyficznie zmetylowane. Odporność na infekcje bakteriofagów jest także wynikiem specyficznej metylacji genomu bakterii i braku metylacji wirusowego DNA, co jest powodem jego cięcia przez enzymy bakterii. Rezultatem nabycia tego genu przez S.pyogenes jest niezwykle niebezpieczny szczep bakterii odpornych na antybiotyki, nawet takie z którymi nie miały one jeszcze kontaktu.
Źródło:
Euler, C.W., Ryan, P.A., Martin, J.M., Fischetti, V.A. (2007) M.SpyI, a DNA Methyltransferase Encoded on a mefA Chimeric Element, Modifies the Genome of Streptococcus pyogenes. Journal of Bacteriology 189(3):1044-1054,
Science Daily: Single Gene May Defend Bacteria From Antibiotics And Infection.
Wikipedia (Transfer genów).