Анализ структуры генов продуцентов-антибиотиков и генов бактерий
В данной главе проводится сравнительный анализ структуры генов продуцентов-антибиотиков и генов клинических штаммов бактерий.
Гипотеза о происхождении генов устойчивости к антибиотикам клинических штаммов бактерий от актиномицетов -продуцентов антибиотиков была сформулирована более 30 лет тому назад [ Benveniste, 1973 ]. Согласно этой гипотезе, гены устойчивости к антибиотикам впервые возникли у их продуцентов как необходимый механизм защиты от собственных продуктов метаболизма, а затем с помощью горизонтального переноса попали в геном других бактерий, занимающих различные экологические ниши [ Benveniste, 1973 , Davies, 1978 , Foster, 1983 ]. Действительно, в геноме многих стрептомицетов-продуцентов были обнаружены гены устойчивости к собственным антибиотикам ( табл. 1 ).
В дальнейших исследованиях по проверке гипотезы Бенвенисте и Дэвиса проводили сравнительный анализ структуры генов устойчивости актиномицетов-продуцентов и генов клинических штаммов бактерий. Основные результаты работ по сравнению структуры генов устойчивости к аминогликозидам суммированы в таблице 2 . Видно, что гены, гомологичные генам актиномицетов, были обнаружены в клинических штаммах бактерий различных систематических групп. Гомология на уровне аминокислотной последовательностям между генами устойчивости к неомицину / канамицину [aph(3')] Streptomyces fradiae и транспозонами грамотрицательных бактерий Tn5 и Tn903 составляла 36-40%; высококонсервативные районы белков были обнаружены преимущественно на их С-концах ( рис. 3 ) [ Thompson, 1983 ]. Уровень гомологии между генами 3-N-аминогликозид ацетилтрансфераз [ aac(3) ] из актиномицетов и клинических штаммов бактерий варьировал в пределах 39-41%; и в этом случае при сравнительном анализе структуры белковых продуктов упомянутых генов удалось выявить наличие консервативных участков и мотивов [ Salauze, 1991 ].
Доказательства происхождения генов устойчивости патогенных бактерий от соответствующих генов продуцентов антибиотиков были получены также в исследованиях структуры детерминант устойчивости к тетрациклину. У клинических штаммов быстрорастущих микобактерий ( Mycobacterium fortuitum , Mycobacterium peregrinum ) и стрептомицетов (Streptomyces sp.) неожиданно обнаружили гены устойчивости к тетрациклину ( tetK и tetL ), ранее выявленные у других видов грамположительных бактерий. Помимо этих генов, у тех же штаммов микобактерий и стрептомицетов выявили гены устойчивости к тетрациклинам , otrA и otrB , описанные ранее у продуцента окситетрациклина S.rimosus . Интересно отметить, что тетрациклины начали использовать для лечения кожных инфекций, вызываемых упомянутыми бактериями, лишь в конце 70-х годов [ Pang, 1994 ].
Таким образом можно сделать вывод, что, по крайней мере, часть генов устойчивости к антибиотикам, распространившихся в последнее время у клинических штаммов бактерий, произошли от детерминант устойчивости продуцентов антибиотиков (или имеют с ними общее происхождение). Высокий уровень дивергенции между детерминантами штаммов-продуцентов и штаммов бактерий, выделенных из клиники, свидетельствует об очень древнем происхождении этих детерминант. По-видимому, детерминанты устойчивости попали в клетки бактерий, обитающих в организме человека и животных, путем последовательных актов горизонтального переноса с помощью плазмид и транспозонов [ Werner, 2001 , Salauze, 1991 , Novick, 1985 , Trieu-Cuot, 1986 , Shaw, 1992 ]. Действительно, при рассмотрении эволюционного родства различных детерминант устойчивости и соответствующих видов микроорганизмов, в которых они были обнаружены, не удается построить совпадающие (congruent) филогенетические деревья. Такие данные, в частности, были получены при изучении сравнительной структуры генов aph(3'), обнаруженных в клетках грамположительных бактерий S.fradiae , B.circulans , S.aureus , и в составе транспозонов грамотрицательных бактерий Tn5 и Tn903 [ Gray, 1983 ].
Конкретные этапы и направление горизонтального переноса генов устойчивости к антибиотикам пока остаются неизвестными. Если предположить, что некоторые детерминанты устойчивости первоначально возникли у продуцентов антибиотиков, то на определенном этапе эволюции они неизбежно должны были переместиться из грамположительных в грамотрицательные бактерии. Полученные данные свидетельствуют о высокой частоте горизонтального переноса генов между грамположительными и грамотрицательными бактериями в природных популяциях бактерий.
