Bakterijų konjugacija: genų perdavimas, mechanizmai ir antibiotikų atsparumas

Bakterijų konjugacija - tai genetinės medžiagos perdavimas tarp bakterijų ląstelių, vykstantis tiesiogiai kontaktuojant ląstelėms arba per tiltelį tarp dviejų ląstelių.

Konjugacija, kaip ir transformacija bei transdukcija, yra horizontalaus genų perdavimo mechanizmas, nors šie du kiti mechanizmai nėra susiję su ląstelių tarpusavio kontaktu.

Bakterijų konjugaciją atrado Nobelio premijos laureatai Joshua Lederbergas ir Edwardas Tatumas. Jie įrodė, kad bakterija Escherichia coli perėjo į lytinę fazę, kurios metu gali dalytis genetine informacija.

Bakterijų konjugacija dažnai neteisingai laikoma lytinio dauginimosi atitikmeniu, nes jos metu keičiamasi genetine medžiaga. Konjugacijos metu ląstelė donorė pateikia konjuguojamąjį arba mobilizuojamąjį genetinį elementą, kuris dažniausiai yra plazmidė arba transpozonas. Dauguma konjugacinių plazmidžių turi sistemas, užtikrinančias, kad ląstelėje recipiente nebūtų panašaus elemento.

Perduota genetinė informacija dažnai yra naudinga recipientui. Nauda gali būti atsparumas antibiotikams, tolerancija ksenobiotikams arba gebėjimas naudoti naujus metabolitus. Tokios naudingos plazmidės gali būti laikomos bakterijų endosimbiontais. Tačiau kitus elementus galima laikyti bakterijų parazitais, o konjugaciją - jų išvystytu mechanizmu, leidžiančiu jiems plisti.

Konjugacijos mechanizmai – žingsnis po žingsnio

Konjugacija apima kelis pagrindinius etapus, kuriuos dažniausiai vykdo specializuoti genai (pvz., tra genų kompleksai):

• Matingo poros susidarymas: donorė ir recipientė susijungia per specializuotą struktūrą — dažnai lytinį pilių tipą (sex pilus) Gram(-) bakterijose arba per adhesinius baltymus Gram(+) atvejais.
• Pradinis nupjovimas (nicking) oriT rajone: plazmidė turi specifišką perdavimo pradžios vietą (origin of transfer, oriT). Relaxazės fermentas nupjauna vieną plazmidės grandinę, pradėdamas perdavimą.
• Viengrandinis DNR perdavimas: perduodama viengrandė DNR, kuri keliauja iš donorės į recipientę per konjugacinį kanaliuką ar sekrecijos sistemą (tipiškai tipo IV sekrecijos sistema).
• Komplementarios grandinės sintezė: tiek donorėje, tiek recipientėje viengrandė DNR atkuriama iki dvigrandės replikacijos metu (dažnai naudojant „rolling-circle“ replikacijos mechanizmą).
• Užbaigimas ir izoliuotų elementų integracija: plazmidė gali vėl užsidaryti cikliškai recipientėje, transpozonai ar integraciniai konjuguojami elementai (ICE) gali integruotis į chromosomą.

Skirtingos konjugacijos rūšys ir elementai

• Konjugacinės plazmidės: savarankiškai perduodami elementai, turintys tra genus ir MPF (mating pair formation) sistemas.
• Mobilizuojamos plazmidės: neturi pilnos perdavimo mašinerijos, bet gali būti perkeltos padedant konjuguojančiai plazmidei (helper plasmid).
• Konjugaciniai transpozonai ir ICE: gali pernešti atsparumo ar virulentiškumo genus ir persikelti tarp plazmidžių ir chromosomų.
• Specialūs pavyzdžiai: Gram(+) bakterijose konjugacija dažnai vyksta be ilgo pilių — naudojamos agregacijos medžiagos ar feromonais reguliuojamos sistemos (pvz., Enterococcus).

Genetinės ir molekulinės detalės

Konjugaciniuose elementuose yra keletas būtinos funkcijų:

• Relaxazė: nukerta DNR grandinę prie oriT ir pradeda nukleotidų pernašą.
• Tra (transfer) baltymai: sudaro kanalą ir mechaniką, leidžiančią perduoti DNR.
• OriT: perdavimo pradžios vieta.
• Inkompatibilumo sistemos ir konjunkcinis išskyrimas: saugo nuo to paties tipo elemento įsiveisimo recipientėje (incompatibility) ir reguliuoja, kas gali būti priimta.

Klinikinė ir ekologinė reikšmė

Konjugacija yra vienas pagrindinių kelių, kaip bakterijos greitai įgyja ir skleidžia antibiotikams atsparumo genus. Tai turi rimtų pasekmių medicinai ir visuomenės sveikatai:

• Plazmidės gali nešiotis genų rinkinius, suteikiančius multi‑atsparumą (pvz., ESBL, karbapenemazes ar mcr-1 kolistino atsparumai).
• Konjugacija leidžia greitai perduoti virulentiškumo faktorius ar metabolinius profilius tarp skirtingų rūšių, keisdama mikrobiomos funkcijas.
• Žemės ūkyje, ligoninėse ir aplinkoje vykstantis selekcinis spaudimas (antibiotikų naudojimas) skatina konjugacinių elementų išlikimą ir plitimą.
• Ekologiškai konjugacija prisideda prie genetinės įvairovės ir bakterijų evoliucijos, tačiau taip pat sudaro sąlygas patogenų plitimui.

Tyrimo metodai ir kontrolės priemonės

Konjugacijos tyrimui ir kontrolei taikomi įvairūs metodai:

• Laboratoriniai perdavimo eksperimentai: „filter mating“ ir „broth mating“ testai naudojami konjugacijos dažniui nustatyti.
• Molekuliniai metodai: PCR, seka viso geno, plazmidžių tipizavimas (replicon typing) ir viso geno sekoskaitos (WGS) analizės leidžia identifikuoti perdavimo elementus ir jų genų turinį.
• Prevencinės priemonės: antibiotikų atsakingas vartojimas, infekcijų kontrolė ligoninėse, sanitarinės priemonės žemės ūkyje ir maisto pramonėje mažina selekcinį spaudimą ir plitimą.
• Eksperimentinės strategijos: plazmidžių „cure“ metodai, konjugacijos inhibitorių paieška, bakteriofagų terapija ir sinergetinės priemonės yra tiriamos kaip būdai trukdyti genų plitimui.

Praktiniai pavyzdžiai

Garsus pavyzdys – F plazmidė Escherichia coli, kuri koduoja pilių ir pernašos sistemas. Klinikinėje praktikoje problemą kelia R plazmidės (resistance plasmids), kurios perneša kelių klasių antibiotikams atsparumo genus ir gali greitai užkrėsti skirtingas bakterijų rūšis.

Išvados

Bakterijų konjugacija yra efektyvus ir plačiai paplitęs horizontalaus genų perdavimo kelias, turintis didelę įtaką mikroorganizmų biologijai, ekologijai ir žmogaus sveikatai. Supratimas apie molekulinius mechanizmus, perdavimo sąlygas ir kontrolės strategijas yra būtinas siekiant riboti nepageidaujamą atsparumo genų sklaidą ir rūpintis antibiotikų efektyvumu ateityje.

Mechanizmas

Pagrindinė konjugacinė plazmidė yra F-plazmidė arba F-faktorius. F-plazmidė yra epizoma (plazmidė, kuri gali integruotis į bakterijos chromosomą), kurios ilgis yra apie 100 000 bazių porų.

Tam tikroje bakterijoje gali būti tik viena F plazmidės kopija, laisva arba integruota, o bakterijos, turinčios šią kopiją, vadinamos F teigiamomis arba F plius (žymima F ⁺). Ląstelės, kurios neturi F plazmidės, vadinamos F-neigiamomis arba F-minus (F ^-) ir gali veikti kaip recipientinės ląstelės.

Bakterijų konjugacijos schema. Konjugacijos schema 1 - ląstelė donorė gamina pilusą. 2 - Pilusas prisitvirtina prie ląstelės recipientės ir sujungia abi ląsteles. 3- Judrioji plazmidė nukerpama ir viena DNR grandinė perkeliama į recipiento ląstelę. 4- Abi ląstelės susintetina komplementarią grandinę, kad susidarytų dvigrandė žiedinė plazmidė, taip pat dauginasi pili; abi ląstelės dabar yra gyvybingi donorai.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra bakterijų konjugacija?

K: Kokie yra kiti horizontalaus genų perdavimo mechanizmai?

K: Kas atrado bakterijų konjugaciją?

K: Ką Lederbergas ir Tatumas nustatė apie Escherichia coli konjugacijos metu?

K: Ką konjugacijos metu suteikia ląstelė donorė?

K: Kokią naudą duoda konjugacijos metu perduodama genetinė informacija?

K: Kaip galima vertinti kai kuriuos konjugacijos metu perduodamus elementus?

Paieška pagal raidę