CC BY
134
УДК 579.253.2
Галяутдинова Ю.А.
студент
4 курс, факультет «Естественно-географический» Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы Россия, г. Уфа
ГЕНЫ РЕЗИСТЕНТНОСТИ БАКТЕРИЙ К АНТИБИОТИКАМ
Аннотация. Быстрое внедрение антибиотиков во все сферы жизни человека повлекло за собой адаптацию бактерий к новым условиям существования. Результатом их адаптации стала сформированная ими устойчивость к противомикробным препаратам. Изучение генетических детерминант антибиотикорезистентности с помощью современных методов биологии позволит расширить понимание механизмов развития резистентности и борьбы с ней.
Ключевые слова: антибиотикоустойчивость, методы изучения резистентности, гены антибиотикорезистентности, плазмида.
Y.A. Galyautdinova Student
4 course, faculty «Natural-geographical» Bashkir State Pedagogical University named after M. Akmulla
Russia, Ufa
BACTERIAl GENES OF ANTIBIOTIC RESISTANCE
Annotation. The quickly integration of antibiotics in all spheres of human life has led to the adaptation of bacteria to new conditions of existence. Their adaptation resulted in their resistance to antimicrobial agents. The study of genetic determinants of antibiotic resistance using modern methods of biology will expand the understanding of the mechanisms of resistance development and control.
Key words: antibiotic resistance, methods of studying resistance, genes of antibiotic resistance, plasmid.
Введение. Микроорганизмы способны продуцировать вторичные метаболиты, синтез которых зависит от определенных внешних условий. В отличие от первичных, основных метаболитов, вторичные - не являются необходимыми для вегетативного роста микроорганизмов. Один из классов вторичных метаболитов составляют антибиотики - микробные продукты, подавляющие различные метаболические процессы у других организмов. Первым из них был открыт пенициллин, благодаря обнаруженному в 1929 г. Александром Флемингом подавлению роста стафилококка грибом Penicillium notatum (P. chrysogenum) [1]. В 1943 году был обнаружен стрептомицин, в 1945 - хлортетрациклин и др. Эти открытия и разработка способов промышленного производства пенициллина положили начало эре антибиотиков [1, 2].
Наиболее важное применение антибиотики имеют в качестве противомикробных средств для лечения инфекционных болезней человека. Кроме того, их применяют как цитотоксические агенты против определенных типов опухолей, а также в ветеринарии, фитопатологии, пищевой промышленности (для консервации продуктов) и сельском хозяйстве (в качестве стимуляторов роста растений). Промышленное получение антибиотиков основано главным образом на применении мецилиальных грибов (Aspergillaceae и других Moniliales) и бактерий, в основном родов Streptomyces и Bacillus. Примерно 120 типов антибиотиков производится с помощью промышленного культивирования продуцентов, и, кроме того, разработаны способы получения свыше 50 подобных антибиотикам полусинтетических соединений, также нашедших применение в медицине. Годовой объем мирового производства антибиотиков на 2005 год превышает 100 тыс. т, и общая рыночная стоимость этой продукции оценивается в 5 млрд. долларов [1]. По оценкам BusinesStat, в 2014 г мировой объем продаж антибиотиков составил 566,8 тыс т, что на 23,5% выше уровня 2010 г. Рост продаж стимулирует производство антибиотиков в мире. В 2014 г объем их производства увеличился относительно 2013 г на 8,1% и составил 789,1 тыс т. [3].
Александр Флеминг в результате серии опытов также заметил, что бактериальные патогены могут быть устойчивы к пенициллину при его применении в течение короткого времени или в низких дозах. Еще до начала клинического применения пенициллина, в 1940 году появились первые сведения об обнаружении штамма кишечной палочки, устойчивой к пенициллину. Уже тогда стало известно, что причиной ее резистентности является способность к образованию ферментов, разрушающих пенициллин. Одними из первых информировали об устойчивости бактерий к антимикробным препаратам C.H. Rammelkamp, T. Maxon (1942), W.W. Spink, V. Ferris (1947), M. Barber (1961) [4].
J.W. James уже в 1957 г. назвал угрозу стафилококковой инфекции в больницах и родильных домах «стафилококковой чумой», а в конце 1960-х годов в одной из публикаций «Illustrated London News» появилось мнение, что «медицина может лишиться плодов своей победы в результате неправильного применения антибиотиков, которое приводит к инфекционно передаваемой микробами сопротивляемости лекарствам» [4].
Первые плазмидные бета-лактамазы описаны в начале 60-х годов среди грамотрицательных бактерий, вскоре после широкого внедрения аминопенициллинов. Они также быстро распространились среди представителей семейства Enterobacteriaceae и других грамотрицательных микроорганизмов в разных регионах мира. С 2001 г. Отмечено возрастание резистентности пневмококков к макролидам, которое в некоторых регионах Земного шара достигло 30 %. В соответствии с данными глобального микробиологического мониторинга (1997 г.) от 10,4 до 38,6 % внебольничных и госпитальных штаммов пневмококков устойчивы к
макролидам. С конца 60-х и до середины 80-х годов прошлого века наблюдалось активное развитие бета-лактамных антибиотиков, в медицинскую практику внедряются карбокси- и уреидопенициллины, цефалоспорины трех поколений. По уровню и спектру антимикробной активности, фармакокинетическим свойствам они значительно превосходили аминопенициллины. Большинство цефалоспоринов II и III поколения проявили резистентность к бета-лактамазам широкого спектра. Однако уже в начале 80-х годов появились первые сообщения о штаммах с плазмидной локализацией детерминант устойчивости к этим антибиотикам [4].
Стафилококки остаются одним из ведущих факторов гнойно-воспалительных и септических заболеваний. Конец ХХ века и начало XXI ознаменовались тенденцией резкого увеличения роли коагулазо-отрицательных (КОС) стафилококков, и в первую очередь эпидермального стафилококка, в возникновении гнойно-воспалительной патологии человека с поражением разнообразных органов и систем человеческого организма [5]. Штаммы SMureus и S.cpidermidis в значительной доле случаев вызванных ими заболеваний резистентны к метициллину и, как следствие, обладают не только высокой перекрестной устойчивостью ко всем бета-лактамам, но и ассоциированной устойчивостью к антибиотикам других групп. Полирезистентность представляет собой очень серьезную клиническую проблему, так как существенно затрудняет выбор препаратов для эффективной, безопасной и длительной антибактериальной терапии [6].
Для преодоления разрыва между мировыми представлениями о том, насколько серьезна проблема сегодня и как может ухудшиться, если текущая тенденция не изменится, проведена оценка глобальных экономических издержек из-за устойчивости бактерий к противомикробным препаратам к 2050 году. Первоначальные исследования показали приблизительные прогнозы - значительные человеческие и экономические потери. Только от продолжающегося роста резистентности к 2050 году приведет к смерти 10 миллионов человек каждый год и снижению на 2% - 3,5% в валовом внутреннем продукте (ВВП). Это обойдется миру в 100 триллионов долларов
[7].
Антибиотики как сигнальные молекулы. Почти все противомикробные препараты имеют химическое сходство с соединениями окружающей среды. А гены антибиотикорезистентности были найдены в вечной мерзлоте, что свидетельствует о возникновении резистентности задолго до способности человека синтезировать антибиотики [8].
Бактерии в естественных условиях образуют коммуникативные сообщества, включающие представителей разных таксонов, в которых и между которыми обмен информацией осуществляется посредством диффундирующих сигнальных молекул (diffusible signal molecules). Данные молекулы используются бактериями для:
1) мониторинга своей популяционной плотности (the process of quorum sensing);
2) защиты своей экологической ниши;
3) координации своего поведения в отношении каких-то изменившихся условий внешней среды;
4) «наблюдения» за другими коммуникативными сообществами.
Приобретение резистентности к какому-либо антибиотику ведет к
изменению реакции бактерии на определенный сигнал. Антибиотикорезистентные мутанты бактерий, также, как и исходные чувствительные штаммы, реагируют на данный антибиотик. Но набор транскриптов у них иной, чем у исходных штаммов. Спонтанное приобретение резистентности способствует образованию других бактериальных экотопов [9].
Комбинации и последовательность терапии могут создавать условия, которые ограничивают динамику возникновения устойчивых мутантов. Эти стратегии основаны на принципе, согласно которому адаптация к одному классу противомикробных препаратов может иметь побочную чувствительность к другому, так что их скоординированное использование создает препятствия для возникновения и распространения резистентности [8].
Механизмы резистентности к антибиотикам.
Существуют следующие механизмы резистентности:
1) модификация антибиотика / детоксикация. Например, резистентность к пенициллинам и цефалоспоринам. Она обусловлена наличием у бактерий ферментов пенициллиназ (бета-лактамаз), которые разрывают бета-лактамные связи в молекулах пенициллинов, приводя к образованию неактивных производных;
2) уменьшение проницаемости стенки бактерий для антибиотиков;
3) выкачивание антибиотика из клетки (эффлюкс сиситема). Выкачивание происходит быстрее, чем антибиотик поразит свои мишени;
4) структурные изменения в молекулах, являющихся мишенями для антибиотика. При устойчивости к хинолам антибиотик не может связаться с измененной мишенью, а именно с ДНК-гиразой;
5) продукция бактерией альтернативных мишеней, которые резистентны к ингибирующему действию антибиотика [9].
Гены устойчивости могут локализоваться как на хромосоме, так и на плазмиде, и на транспозонах. Также интегроны (мобильные элементы), захватывающие гены устойчивости к антибиотикам, являются одним из факторов распространения лекарственной устойчивости у бактерий [10].
Резистентность к аминогликозидам. Для защиты от данной группы антибиотиков бактериальной клеткой могут использоваться активный эффлюкс, модификация рибосомы, инактивация антибиотика. Первый идентифицированный плазмидный ген устойчивости к аминогликозидам armA. Известные на сегодняшний день гены - npmA, rmtA, rmtB, rmtC, rmtD, кодирующие метилазы. Метилазы делятся на классы в зависимости от типа катализируемых модификаций: AAC (ацетилтрансфераза), ANT
(нуклеотидилтрансфераза или аденилтрансфераза), APH
(фосфотрансфераза), МЕТ (метилтрансфераза). Другие гены, также кодирующие трансферазы, содержат в названии описание фермента. Например, ген аас(6') кодирует ацетилтрансферазу, которая модифицирует субстрат в 6' позиции [11].
Резистентность к бета-лактамам. Основной механизм резистентности к бета-лактамам, используемый бактериями - это экспрессия бета-лактамаз. Данные ферменты делятся на сериновые и металлоферменты [11]. Кодирующие их гены находятся на плазмидах (blaTEM, blasnv, blacTx-м -сериновые бета-лактамазы, blaviM, bla¡MP, blaspM, blaoiM - металлоферменты) [13].
Резистентность к хлорамфениколу. Основной механизм резистентности - ферментативная модификация антибиотика. Существует 2 типа генов, кодирующих ацетилтрансферазы хлорамфеникола (CATs) catA и catB. Также фенотип устойчивости к хлорамфениколу возможен благодаря эффлюкс системе. Наличие гена cmlA приводит к фенотипу устойчивости к флорфениколу и хлорамфениколу, а гена floR - только к флорамфениколу [11].
Резистентность к гликопептидам. Резистентность к ванкомицину возникает из-за модификации предшественника пептидогликана, к которому гликопептид проявляет низкую аффинность. Опосредующие резистентность лигазы кодируются генами vanA и vanB (опероны находятся на плазмиде и на хромосоме), vanCl, vanC2/3, vanD, vanE и vanG (до настоящего времени были найдены исключительно на хромосоме) [11].
Резистентность к стрептомицину. Устойчивость возникает благодаря работе ацетилтрансфераз (sat2-sat4) и других метилаз [11]. Устойчивость к стрептомицину у современных штаммов бактерий, как правило, определяется наличием генов strA-strB, кодирующие аминогликозидфосфотрансферазы и гена aadA, кодирующего аминогликозидаденилилтрансферазы [12].
Резистентность к макролидам-линкозамидам-стрептограмину В (MLS). Основной механизм устойчивости (MLS) связан с наличием РНК метилазы, которая кодируется генами erm. Этот фермент метилирует остаток аденина, что предотвращает связывание антибиотика и 50S субъединицы рибосомы. Другие 2 механизма - эффлюкс и инактивацию - кодируют гены msr, ere [11].
Резистентность к сульфаниламидам. Резистентность возникает из-за наличия генов на хромосоме (мутация в folP) или на плазмиде (sи11и sul2) [11].
Резистентность к тетрациклину. Бактериями используется 3 механизма - эффлюкс система, рибосомальные защитные белки, ферментативная модифификация. Первый механизм кодируют 25 типов гена tet, 2 otr, 1 tcr, второй механизм -10 tet 1 otr, третий - 3 tet [11].
Современные методы изучения резистентности к антибиотикам. В
последнее десятилетие благодаря появлению высокой пропускной способности полногеномного секвенирования (WGS) были сделаны существенные успехи в понимании динамики эволюции устойчивости к антибиотикам и ее распространения в бактериальных популяциях [8].
Поиск и изучение генов, ответственных за возникновение антибиотикорезистентности, помимо теоретического имеют также огромное практическое значение. Быстрое определение антибиотикорезистентности клинических штаммов микроорганизмов очень важно при выборе оптимального лечения пациентов. Методы поиска генов и мутаций, основанные на анализе ДНК, гораздо быстрее и точнее классических методов определения резистентности. Для быстрой детекции генов ферментов, отвечающих за устойчивость к различным антибиотикам, используют метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) [14].
Методы метагеномики и биоинформатики позволяют идентифицировать виды членов сообщества и оценить их относительные плотности, а также функциональные способности. Являясь сложной адаптивной системой, микробное сообщество демонстрирует свойства более высокого порядка, которые не присутствуют в отдельных микробах, но возникают из их взаимодействия. Предсказательные математические и компьютерные модели помогают выявить закономерности эволюции микробов и микробных сообществ, возникающие на генетическом уровне и распространяющиеся в дальнейшем на все прочие уровни функционирования микробного сообщества [15].
Заключение. Таким образом, проблему антибиотикорезистентности невозможно игнорировать или пытаться противостоять ей все более мощными противомикробными препаратами. Хотя и невозможно остановить адаптацию бактерий, но реально предсказать и направить ее. Благодаря скоординированным усилиям, разумному эпидемиологическому надзору, а также фундаментальным знаниям природы резистентности к антибиотикам возможно более эффективное и более долговременное использование противомикробных препаратов [8].
Использованные источники:
1. Современная микробиология: Прокариоты; под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. М.: Мир, - 2005. - 496с.
2. Данилов А.И., Литвинов А.В. Начало эры антимикробной химиотерапии // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. - 2010. - т.12. -№ 2. - с.163-169.
3. Анализ мирового рынка антибиотиков в 2010-2014 гг, прогноз на 20152019 гг. [Электронный ресурс]. URL: http://businesstat.ru (дата обращения: 18.12.2018)
4. Жукова Э.В. Современное состояние проблемы антибиотикорезистентности и эпидемиологический надзор за устойчивостью
микроорганизмов к антибактериальным препаратам // Поликлиника. - 2015. -Спецвыпуск № 1. - с.44-47.
5. Керашева С.И., Беданокова Т.М., Карабасова Е.Б., Куклина Н.В., Беданокова Л.Ш., Хакунов Р.Н. Биологические особенности эпидермальных стафилококков, выделенных от больных // Кубанский научный медицинский вестник. - 2006. - с.27-29.
6. Божкова С.А. и соавт. Профиль резистентности возбудителей как основа выбора эффективного антибиотика при стафилококковых инфекциях протезированных суставов // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. - 2013. - т.15. - №2. - с.115-123.
7. Jim O'Neill Antimicrobial Resistance: Tackling a crisis for the health and wealth of nations. - 2014. - 20p.
8. Stephen Baker et al. Genomic insights into the emergence and spread of antimicrobial-resistant bacterial pathogens // Science. -2 018. - V.360. - P.733-738.
9. Супотницкий М.В. Механизмы развития резистентности к антибиотикам у бактерий // Биопрепараты. - 2011. - №2. - с.4-11.
10. Равин Н.В., Шестаков С.И. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2013. - т.17. - №4/2. - с.972-984.
11. Angela H.A.M. van Hoek, et al. Acquired antibiotic resistance genes: overview // Frontiers in microbiology. - 2011. - V.2. - P.1-27.
12. Миндлин С.З., Соина В.С., Петрова М.А., Горленко Ж.М. Выделение устойчивых к антибиотикам штаммов бактерий из многолетнемерзлых отложений Восточной Сибири // Генетика. - 2008. - т.44. - №1. - с.36-44.
13. Сидоренко С.В., Тишков В.И. Молекулярные основы резистентности к антибиотикам // Успехи биологической химии. - 2004. - т.44. - с.263-306.
14. Shibata N. et al. PCR typing of genetic determinants for metallo-beta-lactamases and integrases carried by gram-negative bacteria isolated in Japan, with focus on the class 3 integron // Journal of Clinical Microbiology. - 2003. - V.41. -P.5407-5413.
15. Клименко А.И. и соавт. Современные подходы к математическому и компьютерному моделированию в микробиологии // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2015. - т.19(6). - с.745-752.
