Integron: bakterite liikuv geenielement ja antibiootikumiresistentsuse levitaja
Integron on transposooni tüüp, liikuv geneetiline element. See on kaheosaline geneetiline süsteem, mida leidub bakterites ja võib-olla ka laiemalt. See on viis, kuidas antibiootikumiresistentsus nii kiiresti edasi antakse. Seda leidub plasmiidides ja kromosoomides. Kuigi esimene avastatud funktsioon oli antibiootikumiresistentsus, võivad integronid kanda üle ka teisi bakterite funktsioone (omadusi).
Transposoonid on geenide "püüdmis- ja ekspressioonielemendid", mis panevad paika väikesed liikuvad elemendid, mida nimetatakse geenikassettide, ja panevad need tööle. Tavaliselt on igal kassetil ainult üks geen ja konkreetne rekombinatsioonikoht. Kassetid kannavad (näiteks) antibiootikumiresistentsust kodeerivat DNA-d (= "geeni"). Tavaliselt kodeerib DNA ensüümi, mis lõhustab (lõikab) antibiootikumimolekuli.
Integroni esimene osa on geen, mis kodeerib ensüümi, mis haarab kassette. Teine osa on koht genoomis, kuhu kassetid sisestatakse, ja promootor, mis juhib kassetiga seotud geenide ekspressiooni. "Integron" kirjeldab selliseid struktuure nii kassettide puudumisel kui ka integreeritud kassettide olemasolul. Kassette võib sisestada kohas, neid võib välja lõigata ja nad võivad läbida horisontaalse geenisiirde.
Struktuur lühidalt
Integron koosneb põhiliselt kolmest osast:
- intI — integroni integraas (geen), mis kodeerib rekombinaasi (ensüümi), mis vastutab kassettide haaramise ja lõikamise eest;
- attI — integroni rekombinatsioonikoht genoomis, kuhu geenikassetid (gene cassettes) integreeritakse;
- Pc — promootor, mis kontrollib integroni sees olevate kassettide geenide ekspressiooni.
Toimemehhanism
Integroni integrase (IntI) vahendusel toimub sihipärane rekombinatsioon attI ja attC saitide vahel: kassetid võidakse liita integroni 5' otsa, neid ümber järjestada või välja lõigata. See võimaldab bakteril kiiresti koguda ja väljendada mitut resistentsusgeeni järjestikku. Kuna Pc promootori tugevus ja kasseti asukoht mõjutavad ekspressiooni, on esimeses reas olevad kassettid sagedamini kõrgema ekspressiooniga kui tagapool asuvad.
Integroni aktiivsus võib olla reguleeritud stressireaktsioonide kaudu (nt bakterite SOS vastus), mis tähendab, et integrasid aktiveeritakse antibiootikumide või muude DNA-d kahjustavate tegurite toimel — see soodustab uute resistentsusgeenide omandamist just olukordades, kus see bakterile kasulikuks osutub.
Tüübid ja levik
Integrone liigitatakse sageli klassidesse (nt klass 1, 2, 3 jne) vastavalt integrasi seeriatele ja seotud mobiilsele elementidele. Klass 1 integronid on kliinilistes isolaatides kõige levinumad ja tihti seotud mitme resistentsusgeeni kandmisega. Lisaks eksisteerivad suured "superintegronid" mõnedes bakteritüvedes (näiteks Vibrio sugukonnas), mis sisaldavad sadu kassette ja on pigem kromosomaalsed.
Integronid levivad plasmiidide ja transposoonide vahendusel ning seetõttu osalevad aktiivselt horisontaalses geenisiirdes — see seletab, miks antibiootikumiresistentsus võib levida kiiresti nii haiglatest kui ka keskkonnast pärit bakterite vahel.
Meditsiiniline ja keskkondlik tähendus
Integronid on olulised, sest nad aitavad bakteritel koguda mitmekordseid resistentsusgeene, mis võib viia laiaulatuslike multiresistentsete haigustekitajate tekkimiseni. Kassettide hulgas on sageli geenid, mis annavad resistentsuse penitsilliinidele, tsefalosporiinidele, aminoglükosiididele ja teistele antibiootikumiklassidele (näiteks erinevad β-laktamaasid ja aminoglükosiidi muundavad ensüümid).
Keskkonnas (põllumajandus, reoveepuhastid, pinnas, vesi) on integronid tõenäoliselt laialt levinud liikumapanev jõud resistentsuse ökosüsteemide vahel. Seetõttu on oluline jälgida integrone ja nende kandjaid ning piirata antibiootikumide kasutust nii kliinilises kui ka veterinaar- ja põllumajandustöös.
Avastamine ja jälgimine
Integrone tuvastatakse laborites tihti PCR-i ja järjestusmeetodite abil (nt intI geenide, attI saitide ja kasseti järjestuste analüüs). Kogu-genoomne järjestamine annab detailse pildi kassettide koosseisust ja integroni mobiliseerumisvõimest ning aitab jälgida vastupanugeeni levikut populatsioonitasandil.
Praktilised järeldused
- Integronid soodustavad antibiootikumiresistentsuse kiiret levikut ning on seetõttu olulised avaliku tervise uuringute ja infektioonihalduse seisukohast.
- Antibiootikumide mõistlik kasutamine, keskkonnaseire ja resistentsuse molekulaarne jälgimine aitavad vähendada integronide kaudu leviva resistentsuse riske.
- Uute ravistrateegiate ja diagnostikavahendite väljatöötamisel tuleb arvestada integronitega seotud keerukate geenikassettide dünaamikat.
Kokkuvõttes on integron bakterite paindlikuks ja tõhusaks tööriistaks geenide kogumiseks ja ekspresseerimiseks — see teeb neist võtmetähtsusega elemente nii mikroobse evolutsiooni uurimisel kui ka antibiootikumiresistentsuse vastases võitluses.
Küsimused ja vastused
K: Mis on integron?
V: Integron on transposooni tüüp, mis on liikuv geneetiline element. Seda leidub bakterites ja võib-olla ka laiemalt ning selle kaudu saab antibiootikumiresistentsus kiiresti edasi kanduda.
K: Kus integronid tavaliselt esinevad?
V: Integroonid esinevad tavaliselt plasmiidides ja kromosoomides.
K: Milline oli integronite esimene avastatud funktsioon?
V: Esimene funktsioon, mis integronite jaoks avastati, oli antibiootikumiresistentsus.
K: Kuidas toimivad geenikassetid integronite puhul?
V: Geenikassettidel on tavaliselt ainult üks geen ja nendega seotud konkreetne rekombinatsioonikoht. Nad kannavad antibiootikumiresistentsust kodeerivat DNA-d, mis kodeerib ensüümi, mis lõhustab (tükeldab) antibiootikumimolekuli. Integroni esimene osa sisaldab geeni, mis kodeerib ensüümi kassettide püüdmiseks, samas kui teine osa sisaldab genoomi kohta, kuhu neid saab sisestada, samuti promootorit, mis juhib kassetiga seotud geenide ekspressiooni.
K: Mis juhtub, kui integronis ei ole ühtegi kassetti?
V: Kui integronis ei ole kassette, kirjeldab see ikkagi selliseid struktuure, isegi kui neid ei integreerita.
K: Kas geenikassette saab integroni sees välja lõigata?
V: Jah, geenikassette saab vajadusel integroni seest välja lõigata.
K: Kas horisontaalne geeniülekanne on võimalik integronites?
V: Jah, horisontaalne geeniülekanne on võimalik integronides, kasutades nende integreeritud geenikassette.
