Integron

Integron on geneetiline struktuur, mis sisaldades geenikassette, tagab horisontaalse geeni ülekande, olles võimeline püüdma fragmente võõrast DNA-st, ning mängib olulist rolli antibiootikumiresistentsete geenide levikus ja bakterigenoomide evolutsioonis. Kuigi integrone on leitud nii transposoonidest, plasmiididest kui ka bakteri kromosoomist, on neil kõigil samad põhitunnused, nimelt integraasi geen intI ja rekombinatsiooni sait attI, mis võimaldab püüda geenikassette. Integronid jagatakse kahte põhirühma. Resistentsed integronid võivad üle kanduda nii samast kui ka erinevast liigist bakterite ühest rakust teise, samuti võivad ülekanded toimuda ka kromosoomide ja plasmiidide vahel. Multiresistentsed integronid on liigitatud klassidesse int geenide järjestuste alusel. See on kõige levinum klass integrone. Klass 1 integronidel on suur hulk erinevaid sisestruktuure ja neid on leitud paljudest geneetilistest üksustest, näiteks pasmiididest (R46, R388 ja R751) ja transposoonidest (Tn21 ja Tn1696). Integroni 3’ konserveerunud järjestus sisaldab sulfoonamiid-resistentset geeni sul1 ja kahte avatud lugemisraami (ORF5 ja ORF4). 5’ järjestuses on promootor Pant, att1 lõik ja intI1 geen. Kui 5’ järjestus on sama kõigis klass 1 integronides, siis 3’ järjestus ulatub eri kaugustele üle sul1 geeni. Neid on leitud transposoonist Tn7 ja sellega sarnastest derivaatidest. Klass 2 integronid ei ole täielikult kirjeldatud, kuid on leitud, et nad koosnevad 5’ konserveerunud järjestustest, milles on pseudo-integraas geen intI2 ja varieeruv külgnev regioon. Viimane sisaldab kahte või enam integreeritud geenikassetti, kodeerides resistentsust trimetopriimile (dhfrIa või dhfrIb), streptotritsiinile (sat) ja streptomütsiinile (ant(3’’)-Ia). Integraasi geenil intI2 on 40%-line sarnasus geeniga intI1. Kirjeldatud on vaid üht tüüpi klass 3 integroni. See sisaldab metallo-β-laktamaas geeni (blaIMP) ja ebatüüpilist 67-bp elementi. Uus intI3 geen, mis on lokaliseeritud blaIMP kasseti 5’ otsa, on 61% sarnasusega klass 1 integraasidega. Kogu iseloomustamine on veel pooleli, kuid mitmest regioonist on leitud kolme tüüpi geenikassette. Superintegrone on leitud mitmesuguste proteobakterite kromosoomidest. Nad võivad kodeerida erinevaid funktsioone (kaasa arvatud desinfitseerimisvahendi- ja antibiootikumiresistentsust), samas kui integronid kodeerivad resistentsust ainult ühele või (sagedamini) mitmele antibiootikumile. Tavaliselt kasutatakse integroni mõistet üksnes multiresistentsete integronide puhul, kuna superintegrone esineb harva ja neid on vähem uuritud. Enamik integrone, mis kodeerivad antibiootikumiresistentsust, on leitud gramnegatiivsetest bakteritest (nt Pseudomonas spp, Acinetobacter spp, Vibrio spp ja paljudest enterobakterite liikidest). Ometi on antibiootikumiresistentsust kodeerivaid integrone kirjeldatud ka korünebakterite liikidel, mükobakteritel ja bakteril Enterococcus faecalis. Kõige sagedamini esinenud resistentsustüüp on beetalaktaamiresistentsus. Teised kirjeldatud tüübid on aminoglükosiidi-, kloroamfenikooli-, rifampitsiini-, trimetopriimi- ja sulfoonamiidiresistentsus. Kõik need resistentsustüübid on kombineeritud beetalaktaamiresistentsusega. Järelikult on integron-vahendatud resistentsus enamikul juhtudel multiresistentsus (multidrug resistance). Integronide kliiniline tähtsus on peamiselt see, et ühe antibiootikumi kasutamisel võidakse aktiveerida kogu geeni kasseti ekspressioon. Sellest järeldub, et bakteritüvi võib kokkupuutel ühe antibiootikumiga muutuda multiresistentseks mitme antibiootikumi suhtes. Integroni geenikassetid sisaldavad avatud lugemisraami, mis on ilma promootorita, ja rekombinatsioonisaiti attC või 59-be (59-base element). Kassetid võivad olla nii vabad ringikujulised molekulid, mis ei ole võimelised replikatsiooniks, kui ka integreeritud attI saiti. Teadaolevalt on integronides üle saja mitmesuguse kasseti. Rohkem kui 70 erinevat kassetti sisaldavad geene, mis kodeerivad paljusid meditsiinis kasutatud antibiootikume: aminoglükosiid, beetalaktamaas, klooramfenikool, trimetopriim, erütromütsiin ja rifampitsiin. Integroni platvorm sisaldab integraasi geeni, mis kuulub türosiini rekombinaasi perekonda, tugevat promootorit Pant ja rekombinatsiooni primaarsaiti attI. Integraas katalüüsib koht-spetsiifilist rekombinatsiooni homoloogsete järjestuste vahel (tuuma piirkonnas, attI ja attC saitide piires). Selle tulemusel geenikassett integreerub integroni platvormi (3’ otsast promootorini Pant). Pärast seda on kassett võimeline ekspresseeruma Pant-i poolt. Tuleb rõhutada, et kui enamikul geenikassettidel ei ole promootoreid, võib nende ekspressioon olla indutseeritud ainult pärast kassettide seostumist integroni platvormi. Integron sisaldab tihti mitmeid kassette ja kõik need on ekspresseeritud promoooerilt Pant. Antibiootikumiresistentsust kodeerivate geenikassettide päritolu on suuresti teadmata, vaatamata mitmetele uuringutele nende struktuuri ja integratsioonimehhanismide kohta. On teada, et integrone moodustavad geenid on promootoriteta. Seni on kirjeldatud ainult üht erandit: promootorit sisaldav geenikassett cml, mis vastutab kloroamfenikooliresistentsuse eest. Analüüsid on näidanud lähedaste geenide olemasolu kas aktiivsete geenidena või geenikassettidena, millest võib eeldada, et neil on ühine päritolu. (Näiteks on leitud kõrge homoloogia catB geenide vahel, mis kodeerivad kloroamfenikooli atsetüültransferaase.) Kõige veenvamad andmed, mis annavad tunnistust, et geenikassetid tulenevad tavalistest geenidest, on kogutud uuringutest geenide kuuluvusest adenüültranferaaside perekonda (aadA). Mõned neist on kindlaks tehtud integronides, teised on autonoomsed. Sellist tüüpi geenide produktidel on kõrge homoloogia (80–95%) ja nad sisaldavad 112 aminohapet. Kõrgeim homoloogia on leitud aktiivse geeni aadA (bakteri Corynebacterium acetoacidophilum streptomütsiin-resistentsest mutandist) ja (In4 integronis asuva) geeni kasseti aadA2 vahel. On märkimisväärne, et kogu 779 kromosoomist viimased 437 on täiesti identsed. Kõrge homoloogsus kahe geeni vahel vihjab, et aktiivne geen aadA C. Acetoacidophilum tüvest on otsene prekursor aadA2 geeni kassetile. Mitmed aadA proteiinid, mis on kodeeritud tavaliste geenide poolt, on tuvastatud ka teistest gramnegatiivsete ja grampositiivsete bakterite tüvedest. Nendeks on näiteks AAD(3’’)(9), bakteri Salmonella enterica tüvest ja AAD(9), erinevate bakteriliikide resistentsetest tüvedest. Esimese klassi integronide esinemine indigeense E. coli ja toiduainetetööstuses kasutatavatel piimhapet produtseerivatel bakteritel Tulemuseks saadi, et võrreldes eakatelt inimestelt eraldatud mikroobitüvedelt, leiti suuremas hulgas klass 1 integrone antibiootikume varem mitte tarbinud lastelt isoleeritud Escherichia coli tüvedelt. IntI geeni leiti probiootilistel bakteritel kaheksal juhul üheksast ja starterbakteritel kaheksal juhul kümnest. Integronide suurus eri tüvedes varieerus 500 aluspaarist 2000 aluspaarini. Järeldused: "Integronide sagedasem esinemine laste soole mikroflooras võrreldes eakatega viitab hiljutistele keskkonnatekkelistele muutustele. See võib olla seotud nii antimikroobsete ainete tarvitamise suurenemise kui ka toiduainetetööstuses piimhappebakterite toiduga seotud geenide levikuga." Antibiootikumiresistentsete enterobakterite levik Eestis ja resistentsust põhjustavate integronide olemasolu enterobakteritel Vastavalt annotatsioonile saab tehtud uuringu alusel võrrelda Eesti beetalaktamaasi produtseerivate enterobakterite esinemissagedust ja resistentsust määravate integronide olemasolu erinevatel mikroobitüvedel teiste Euroopa maade andmetega, mis võimaldab paremini aru saada mikroobide resistentsuse globaalsest levikust. Mindlin, S. Z.; Petrova, M. A.; Bass, I. A.; Gorlenko, Zh. M. "Origin, Evolution, and Migration of Drug Resistance Genes" ISSN 1022-7954, Russian Journal of Genetics, 2006, Vol. 42, No. 11, pp. 1257–1271. Rosser, S. R.; Young, H.-K. (1999) "Identification and characterization of class 1 integrons in bacteria from an aquatic environment" http://jac.oxfordjournals.org/content/44/1/11.full Hall, RM; Holmes, AJ; Roy PH; Stokes, HW. "What are superintegrons?" Nature Reviews Microbiology 5, (1 February 2007) | doi:10.1038/nrmicro1462-c1 Sompolinsky D, Nitzan Y, Tetry S, Wolk M, Vulikh I, Kerrn MB, Sandvang D, Hershkovits G, Katcoff DJ. "Integron-mediated ESBL resistance in rare serotypes of Escherichia coli causing infections in an elderly population of Israel" Journal of Antimicrobial Chemotherapy (2005) 55, 119–122. doi: 10.1093/jac/dkh517. EDITORIAL COMMENTARY. Rebecca J. Seward, Kevin J. Towner. "Detection of integrons in worldwide nosocomial isolates of Acinetobacter spp." Clin Microbiol Infect 1999; 5: 308–318 Štšepetova, Jelena; Sepp, Epp; Truusalu, Kai; Lõivukene, Krista; Hütt, Pirje; Songisepp, Epp; Mikelsaar, Marika (2006). Tartu Ülikool, Mikrobioloogia Instituut. "Esimese klassi integronide esinemine indigeense E. coli ja toiduainetetööstuses kasutatavatel piimhapet produtseerivatel bakteritel" Eesti Arst, 9, 635 [1] Eesti Teadusportaali andmebaasis Sepp, Epp; Truusalu, Kai; Naaber, Paul; Kõljalg, Siiri; Mitt, Piret; Štšepetova, Jelena (2004–2006) "Antibiootikumresistentsete enterobakterite levik Eestis ja resistentsust põhjustavate integronide olemasolu enterobakteritel" Projekt ETF5826 Eesti Teadusportaali andmebaasis