Интегроны: общие сведения
Интегроны - это природные системы клонирования и экспрессии, способные улавливать кассеты с открытыми рамками считывания, ORF , и превращать их в активно функционирующие гены [ Rowe-Magnus, 1999 , Rowe-Magnus, 2001 ]. Впервые интегроны были найдены в составе мобильных генетических элементов, ответственных за возникновение множественной лекарственной устойчивости у патогенных бактерий, выделенных от человека, животных и растений [ Collis, 1992 , Collis, 1993 , Stokes, 1989 ]. В некоторых штаммах, отличающихся множественной резистентностью, были обнаружены интегроны, содержащие несколько (часто 2-3, но иногда до 8) генов резистентности, что дало основание называть их интегронами множественной резистентности (multiple resistance integrons, MRIs). Другое часто употребляемое название - традиционные интегроны.
Каждый интегрон состоит из двух частей. Одна из них представляет собой стационарную "платформу интегрона", включающую ген intI фермента интегразы, относящегося к семейству тирозиновых сайтспецифических рекомбиназ [ Nunes-Duby, 1998 ], и прилегающие к этому гену сильный промотор рс и сайт интеграции, attI [ Hall, 1997 , Hall, 1995 , Rowe-Magnus, 1999 , Rowe-Magnus, 2003 ]. Вторая часть представлена мобильными генными кассетами , содержащими беспромоторные ORF с рекомбинационными attC-сайтами . Интеграза IntI катализирует сайтспецифическую рекомбинацию между сайтами attI и attC, в результате чего происходит интеграция или вырезание кассеты [ Collis, 1992 , Collis, 1998 ]. Множество событий интеграции ведет к образованию мультикассетных рядов. В таких рядах все связанные с кассетами гены фланкированы attC-сайтами.
Генетическая организация MRI способствует коэкспрессии генных кассет, входящих в его состав, с одного промотора рс интегрона. Наиболее эффективно экспрессируются гены кассет, расположенные ближе к промотору [ Collis, 1995 , Rowe-Magnus, 2002 ]. Изменение селективного давления в среде обитания бактерий может способствовать перестройкам разного рода в составе MRI.
В настоящее время все интегроны, связанные с генными кассетами антибиотикорезистентности, разделяют на пять классов на основании результатов сравнительного анализа последовательностей кодируемых ими интеграз. Различные интегроны кодируют рекомбинационные ферменты, гомологичные между собой на 39-58%. Степень сходства между интегразами и расчет частоты замещений позволили заключить, что начало эволюционной дивергенции интеграз имело место значительно раньше наступления эры активного использования антибиотиков [ Rowe-Magnus, 2003 , Stokes, 1989 , Rowe-Magnus, 2002 , Hansson, 2002 , Rowe-Magnus, 2002 ].
Интеграза IntI1 , кодируемая интегронами 1-го класса, изучена в экспериментальной системе наиболее детально [ Collis, 1992 , Collis, 1993 , Collis, 1998 , Collis, 2001 ]. Было показано, что этот фермент катализирует не только реакции интеграции/эксцизии между attI- и attC-сайтами , но и рекомбинацию между двумя attC-сайтами, а также между вторичными сайтами интеграции и сайтом attC кассеты. Рекомбинационные события такого рода могут эффективно происходить в клетках бактерий, принадлежащих к разным видам.
Интеграза IntI2 , кодируемая интегроном Tn7 класса 2, имеет характерную особенность - внутренний стоп-кодон в аминокислотной позиции 179 [ Hansson, 2002 ]. Мутагенез в стоп-кодоне восстановил активность IntI2, после чего была проверена ее рекомбинационная активность. Оказалось, что она эффективно осуществляет вырезание генных кассет из двух классов интегронов, производя рекомбинацию между attC-сайтами, но не способна проводить рекомбинацию типа attC x attI1, так как она узнает только свой собственный сайт attI2.
Интеграза IntI1 узнает как attI1, так и attI2.
Интеграза третьего класса интегронов - IntI3 , связывается и осуществляет рекомбинацию в сайтах интеграции всех трех классов интегронов [ Collis, 2002 ].
Последовательности сайтов attI интегронов 1 и 3 классов отличаются, хотя структурная организация их также имеет большое сходство. Сайт attI1 состоит из 56 пн и, кроме того, включает 9 или 10 пн прилегающего модуля [ Collis, 2004 , Rowe-Magnus, 2002 , Patridge, 2000 ]. Эта область содержит четыре IntI1-связывающих сайта, два из которых инвертированно ориентированы относительно друг друга и образуют простой сайт с точкой рекомбинационного кроссовера. Последовательности простого сайта гомологичны ICS и CS сайта attC генных кассет . Два других прямо ориентированных относительно друг друга связывающихся с интегразой сайта влияют на эффективность рекомбинации [ Collis, 2004 ].
Сайт attB образован последовательностью из 131 пн и также включает 9 или 10 пн, принадлежащих соседнему модулю. По своей организации и общим свойствам он имеет большое сходство с сайтом attI1 [ Collis, 2002 , Collis, 2004 , Patridge, 2000 ], и это свидетельствует о том, что, по-видимому, такими свойствами обладают многие сайты attI.
Все представители трех первых охарактеризованых интегронов были найдены в составе плазмид или транспозонов и содержали кассеты с генами антибиотикорезистентности. То, что все они были связаны с мобильными элементами и кодировали множественную лекарственную устойчивость, было обусловлено историей их открытия - они были обнаружены при изучении горизонтального распространения генов лекарственной устойчивости среди клинических штаммов бактерий, появление которых определялось селективным давлением широко используемых в лечебной практике антибиотиков.
